Перелом произошел, в общем-то, совсем недавно - после того, как в 1922 году петроградский ученый, геофизик и математик Александр Александрович Фридман опубликовал в немецком физическом журнале (в то время было принято печататься в иностранных журналах) свою теорию рождения пространства и времени "из точки".
Анализируя уравнения только что созданной общей теории относительности, он пришел к выводу, что, образовавшись в какой-то момент времени (откуда и как - этого его теория не могла сказать), Вселенная стала "разбухать", извергаться из точки, равномерно расширяясь во все стороны.
Идея рождающегося и расширяющегося мира настолько резко противоречила глубоко укоренившимся "очевидным" мировоззренческим представлениям, что большинству ученых она показалась просто фантастической. На нее смотрели как на некоторую чисто математическую модель, описывающую нереализующийся в природе случай,- ведь, как известно еще из школы, при решении уравнений иногда получаются лишние решения, которые приходится отбрасывать, исходя из условий задачи.
Согласитесь, трудно принять теорию, какой бы математически изящной она ни была, если в ней речь идет о "начале мира" и вместе с тем без ответа остается вопрос о том, что же было раньше,
"когда еще не было ни пространства, ни времени"! Неясно даже, какой смысл имеет здесь само понятие "раньше"... Казалось, теория полна противоречий и парадоксов.
С удовлетворением встретила ее только церковь. Еще бы, теория относительности, которая только что получила блестящее подтверждение в наблюдении искривления световых лучей гравитационным полем Солнца, теория, о которой с восторгом писали все газеты, доказывает начало мира и, по существу, оправдывает библейские тексты!
Я видел изданный за границей журнал, где прямо говорилось, что, когда ученые с большим трудом, в поте лица своего поднялись на сияющую вершину знаний, они с удивлением обнаружили давно поджидавших их там теологов.
Ни больше, ни меньше!
Правда, о подтверждении своих пророчеств с таким же правом могли бы говорить и безвестные авторы древнеиндийской "Книги гимнов" Ригведы, которые раньше Библии говорили о цепи следующих друг за другом рождений и смертей Вселенной. За свою долгую историю люди придумали много сказочных (религиозных) и несказочных (научных) объяснений природы. Различаются они тем, что научные выводы, даже самые удивительные и диковинные,- это не просто утверждения, в которые нужно лишь верить, все они могут и должны быть обоснованы и проверены опытом.
А наблюдения приносили все новые и новые подтверждения фантастической теории Фридмана. Американский астроном Эдвин Хаббл обнаружил разбегание, удаление друг от друга звезд и галактик, как будто окружающее их пространство действительно раздвигается во всех своих точках, "разбухает", подобно тесту в квашне. Физик Г. Гамов выдвинул гипотезу о том, что рождение Вселенной, о котором идет речь в теории Фридмана, представляет собой гигантский взрыв, где в условиях огромных температур и давлений "сварилось" атомное вещество нашего мира.
Относительная распространенность водорода, гелия и других химических элементов на Земле и в космосе хорошо согласуется с механизмом "первородного взрыва, о чем свидетельствуют геологические и астроспектроскопические измерения. Более того, американские физики-экспериментаторы А. Пензиас и Р. Вильсон вскоре обнаружили предсказанное Гамовым рассеянное по всему пространству остаточное тепловое излучение этого взрыва. В пользу теории Фридмана говорило также множество косвенных данных. И постепенно, несмотря на ее, казалось бы, "очевидную невозможность", поражающая воображение картина рождающейся "из ничего" и эволюционирующей Вселенной завоевала признание.
Безусловно, это одна из тех идей, которые знаменитый датский физик-теоретик Нильс Бор относил к разряду "сумасшедших". Подобно тому, как это случилось во времена Коперника, произошел прорыв устоявшегося мировоззрения, раскрепостивший наше мышление и открывший дорогу дальнейшим теоретическим обобщениям. Космология, считавшаяся ранее одной из наиболее консервативных наук, в последние десятилетия стала в ряд наиболее быстро развивающихся разделов знания.
Какую же судьбу предсказывает миру современная космология?
Рождение и смерть Вселенной
Как и любая другая научная концепция, теория Фридмана приближенна и имеет границы своей применимости.
В частности, ее заведомо нельзя использовать в области очень малых пространственно-временных масштабов, где важны не учитываемые ею квантовые эффекты. Здесь космологическая модель Фридмана может приводить к парадоксальным результатам, например, к выводу о рождении Вселенной "из ничего" - из абсолютной, безразмерной точки. Это похоже на то, как классическая (неквантовая) электродинамика Максвелла предсказывает неизбежную гибель всех атомов, поскольку согласно ее законам каждый вращающийся электрон, теряя энергию на излучение, обязательно должен упасть на ядро. Такие выводы - незаконная экстраполяция теории за область ее справедливости. Ультрамалые масштабы в окрестностях "начала мира" предмет квантовой космологии, которая еще только создается.
А пока можно лишь утверждать, что 15-20 миллиардов лет назад (эту оценку дают астрономические наблюдения)
Вселенная имела микроскопические размеры. Если ее масса недостаточно велика, то, непрерывно расширяясь, Вселенная будет увеличивать свои размеры беспредельно. В противном случае ("тяжелая Вселенная") наступит время, когда силы гравитационного притяжения остановят расширение и начнется обратный цикл сжатия мира "почти в точку".
Какой из этих двух сценариев реализуется в действительности, пока неясно.
Правда, с житейской точки зрения они почти не различаются, так как если сжатие и начнется, то это случится, повидимому, не ранее чем через 10401050 лет, когда Вселенная станет похожей на темный зал, заполненный газом легких элементарных частиц - длинноволновых фотонов, нейтрино, электрон-позитронных пар с редкими островами "черных дыр", которые медленно испаряются, превращаясь в газ элементарных частиц. Расчеты показывают, что это наиболее продолжительная по времени, можно сказать, основная фаза нашего мира.
Что последует за сжатием: повторное рождение и расширение Вселенной или какая-либо иная ее фаза,- это пока за пределами наших знаний.
В случае, если гравитационные силы не остановят расширения, то через 10100 лет, когда размеры Вселенной достигнут чудовищной величины - грубо говоря, в 10"° километров, она полностью превратится в чрезвычайно разреженный газ легких элементарных частиц, которым распадаться уже не на что. Почти пустое мертвое пространство.
Впрочем, природа в многообразии своих свойств превосходит любую человеческую фантазию, поэтому не исключено (а с философской точки зрения даже очень вероятно!), что какие-то неизвестные нам процессы воспрепятствуют осуществлению безрадостной картины полностью омертвевшего мира. Возможно, это будет связано с учетом сложной многоярусной структуры Вселенной, где развитие принимает непривычный для нас многоплановый характер с разными пространственными масштабами и ритмами времени.
Многоэтажная Вселенная
Мы привыкли к тому, что в мире одно время, а пространственная бесконечность всегда - увеличение размеров. На самом деле природа, по-видимому, устроена значительно хитрее. В экстремальных условиях первичного взрыва концентрация массы в отдельных участках могла стать настолько большой, что под действием сильного гравитационного притяжения расширение пространства сменялось его сжатием, в результате чего возникали почти самозамкнувшиеся, "схлопнувшиеся" области пространства-времени.
Теория говорит, что внутренние и внешние масштабы в этом случае оказываются различными. С внешней стороны такие полузамкнувшиеся области выглядят как микроскопические объекты, а изнутри они могут быть огромными космическими мирами. Внутри их, в свою очередь, могут образоваться полузамкнувшиеся районы - "частицы-вселенные" и так далее. Мир становится многоэтажным, многоярусным.
Конечно, едва ли однообразная цепочка взаимовложенных миров тянется без конца, ведь всякая теория ограничена и не может претендовать на описание природы "до бесконечности".
С развитием науки непременно обнаружатся законы, которые внесут свои коррективы в области очень большого и очень малого. Философы говорят, что ни в одном процессе не может быть бесконечного повторения; постепенно накопятся мелкие изменения, и в конце концов произойдет качественный скачок - в игру вступят новые закономерности. Это общий закон природы.
Если локальная концентрация массы очень велика, то пространство может полностью самозамкнуться и от Вселенной отпочкуется новая Вселенная, не имеющая с прежней абсолютно никаких общих точек. Получается, что из одного изолированного мира никак нельзя попасть в другой. Самозамкнувшийся мир стягивается в безразмерную точку, исчезает в "материнской" Вселенной.
