ЗАПИСКИ ИЗ АКАДЕМИИ

ВЗГЛЯД ВО ВСЕЛЕННУЮ

Колесница науки всегда летела в глубины Вселенной. Казалось, что там скрывается самое главное и важное, а именно: ответ на вопрос “Откуда появились мы?”.

Пролетела колесница по звездным мирам, увидела белых карликов и “черные дыры”, наблюдала взрыв Сверхновых и исчезновение галактик, но так и не нашла то, что искала. А потому однажды она развернулась и устремилась обратно – из макромира в микромир. И это новое путешествие оказалось не только столь же увлекательным, но и не менее загадочным.

Сначала Вселенная сжалась до размеров Солнца, потом – до наперстка, наполненного сверхплотным веществом, и, наконец, превратилась в точку. Казалось бы, уже нет дальше пути – достигнут предел. Однако мысль прорвалась вглубь, преодолела очередные барьеры воображения, и вот перед исследователями открылся новый мир. Попасть в него – значит, свершить подвиг, и на него дерзнули уже многие.

Об этом шел разговор на заседании президиума РАН. Официально доклад главного научного сотрудника Астрокосмического центра ФИАН Игоря Дмитриевича НОВИКОВА звучал так: “О последних достижениях космологии и новых возможностях экспериментального подтверждения теории горячей Вселенной”. И уже само это название настраивало на возвышенный лад: а разве можно иначе осматривать Вселенную?!

К многочисленным “отечественным” званиям Игоря Дмитриевича следует добавить и “зарубежные”: он профессор Института им. Н. Бора и директор Центра теоретической астрофизики в Копенгагене. Естественно, что основное время на работу уходит у него в Дании, что в современной науке столь же нормально, как и движение циклонов по Европе – они ведь тоже не признают границ…

В последние годы И.Д. Новиков опубликовал ряд сенсационных исследований, а потому он и был приглашен на заседание президиума РАН, где традиционно заслушиваются доклады о самых интересных работах, сделанных членами Российской академии наук.

Уже первые слова ученого прозвучали сенсационно:

“Проблемой происхождения Вселенной занимается космология. В последней трети прошлого века в ее статусе произошли существеннейшие изменения. В 1993 г. знаменитый английский физик С. Хоукинг писал: “Когда я начинал мои исследования в Кембридже в 1962 г., космология мыслилась как псевдонаука, где самые дикие спекуляции никак не ограничивались любыми возможными наблюдениями”. Сейчас положение в корне изменилось. Теория рождения Вселенной и другие космологические проблемы ныне разрабатываются на основе последних достижений физики и проверяются точнейшими астрономическими наблюдениями. Никакие измышления в принципе невозможны”.

История с космологией – яркая иллюстрация развития как науки в целом, так и отдельных ее направлений.

Во времена революций, войн, природных и рукотворных катастроф обязательно находятся люди, которые отрешаются от всего земного и обращают свой взор во Вселенную, будто пытаясь именно там найти успокоение души или понимание происходящего вокруг них. Наверное, какие-то подобные чувства владели А. Фридманом, который в истощенной и измученной революциями России разрабатывал модели Вселенной. И именно его расчеты привели к весьма странному на первый взгляд выводу: галактики “разбегаются”, расстояние между ними постоянно увеличивается, а следовательно, Вселенная расширяется.

Красивая теория всегда находит сторонников, и ученые поклоняются ей, как романтики красивым женщинам. Один из последователей русского ученого жил и работал за океаном. Его наблюдения подтвердили данные теории, и он вскоре опубликовал свои сенсационные результаты. Это был американец Э. Хаббл. Возможно, его имя осталось бы известным лишь в кругу физиков, но знаменитый космический телескоп носит имя ученого, а потому и нынче “Хаббл” звучит столь же звучно, как, к примеру, “Мир” или “Спейтс Шаттл”.

Постепенно панорама расширяющейся Вселенной виделась ученым четче. Они начали сравнивать ее с шаром, который неуклонно надувается. На поверхности этого шара и находятся галактики. По мере того, как шар становится больше, расстояние между галактиками увеличивается. Образ довольно ясен, не правда ли?

Слово И.Д. Новикову:

“Скорость удаления галактик хорошо измерена, а значит, определен и темп расширения Вселенной. Если он известен, мы можем сказать, когда примерно началось расширение. Оказалось, что это произошло около 15 млрд. лет назад. Материя в самом начале расширения была очень плотной, почти однородной, существовали лишь очень маленькие (по амплитуде) флуктуации в этом однородном распределении вещества по пространству. Они возникли вместе с рождающейся Вселенной”.

И теперь мы вступаем в мир, который пытаются нарисовать нам физики-теоретики. Их воображение подчас столь необычно, что нормальному человеку это кажется сумасшествием. Особенно тогда, когда ученые пытаются “установить порядок” в Хаосе, который они давно уже пишут с большой буквы.

Впрочем, дерзкие путешествия всегда привлекательны… А потому в путь!

Представим (хотя это сделать нелегко!), что 15 миллиардов лет назад была некая “Большая точка”, где вещество находилось в очень плотном состоянии. “Вся материя Вселенной была собрана в одном наперстке!” – так пытались объяснять ту ситуацию физики. Но их нынешние последователи доказывают, что “наперсток” нашей бабушки слишком велик – “точка”, откуда началась Вселенная, была в миллионы раз меньше!

Эх, как заманчиво воскликнуть вслед за Джордано Бруно: “Кристалл небес мне не преграда боле!”, но пока мы сделать этого не можем, потому что только начинаем свое путешествие. Сначала попытаемся понять, как именно расширялась Вселенная, а уж потом попытаемся проникнуть в глубь “точки”. Именно таким путем шли ученые, разгадывающие эволюцию Вселенной.

Прозвучала команда “Пуск!”, и “Большая точка” будто бы взорвалась. Она стремительно начала расширяться. Естественно, температура начала падать. Уже через несколько минут произошел синтез легких элементов, которым суждено будет до нынешнего дня поддерживать термоядерную печку звезд и галактик. Но это случится чуть позже, а пока есть только Хаос. Через 300 тысяч лет – мгновение в жизни Вселенной! – исходный материал для строительства миров остынет до такого уровня, что плазма превратится в нейтральный газ.

Звезд и галактик еще нет. Пока только Хаос.

Слово И. Новикову:

“От той далекой эпохи, когда Вселенная была горячей, остались существенные следы. Самый заметный из них – слабое электромагнитное излучение, которое приходит к нам со всех сторон примерно с одинаковой интенсивностью. Сегодня температура этого излучения составляет лишь 3К, и именно оно несет нам сведения о первых мгновениях существования нашей Вселенной”.

В основе любой теории – факты. Только они способны дать верные ответы на любые вопросы. Но добывать эти самые факты в астрофизике становится все труднее, так как “мгновение из жизни Вселенной” выражено настолько слабо, что современная аппаратура едва-едва может фиксировать электромагнитное реликтовое излучение. Правда, природа преподнесла ученым подарок: излучение из прошлого приходит к Земле с разной интенсивностью, и это дает возможность измерить его.

Тут уж приходится идти на ухищрения. Свою аппаратуру физики прячут глубоко под землей, строят мощные телескопы, выводят специализированные спутники на околоземные орбиты. И за последние четверть века им удалось получить немало очень интересного экспериментального материала.

В частности, в своем докладе И.Д. Новиков отметил:

“В нашей стране имеется замечательный инструмент, который можно использовать для наблюдения вариаций реликтового излучения – РАТАН-600 с зеркалом диаметром 600 метров. Есть и проект, который называется “Космологический ген”. Думаю, что такие наблюдения следует всячески поддерживать и поощрять, потому что процесс рождения Вселенной – это не только астрофизическая и физическая проблема, но и общечеловеческая, важная для всей науки вообще”.

Но все-таки главную роль в изучении реликтового излучения играют космические аппараты. Именно на них были получены те факты, которые позволяют говорить о достоверности теории рождения Вселенной.

В начале космической эпохи Академия наук внимательно следила за новыми открытиями. А потому сразу же после информации о реликтовом излучении был создан и запущен спутник “Реликт”. К сожалению, аппаратура на нем была еще несовершенна, и измерения на борту можно было трактовать по-разному. Нужной точности не было, и это, конечно же, вызывало нарекания ученых. Так уж получилось, но приоритет открытия флуктуаций реликтового излучения пришлось отдать американскому спутнику “Коби”, запущенному в 1989 году. Три года на нем велись необходимые измерения, и в точности их сомнений не было.

К сожалению, приборное несовершенство и отставание в создании космической аппаратуры лишили нашу науку многих приоритетов. К примеру, на наших спутниках были впервые зарегистрированы радиационные пояса Земли, однако из-за низкого качества приборов не удалось понять, что именно они наблюдают… Американские же ученые таких погрешностей избежали и стали первооткрывателями. Подобные ситуации еще не раз случались на космических орбитах, и это лишний раз напоминает о том, что нынче первенство в науке во многом определяется ее инструментальной базой. Впрочем, это было известно всегда, но мы не всегда об этом помнили.

Желание изучать реликтовое излучение было настолько сильным, что астрофизики не стали ждать запуска новых спутников. Они устремились ввысь, запуская свою аппаратуру на баллонах и аэростатах. Полученные результаты помогли понять многие детали теории о первых мгновениях жизни нашей Вселенной.

Слово И.Д. Новикову:

“Можно достаточно уверенно утверждать, что основные параметры теории подтверждаются прямыми астрономическими наблюдениями и в самом начале существования Вселенной был инфляционный период. По современным представлениям ему предшествовал период квантового существования Вселенной. Пространство и время распадались на отдельные кванты, и все это находилось в состоянии, образно говоря, кипения вакуума, причем плотность вакуума была чрезвычайно большой. В эту эпоху “самого начала” пространство – его размерность и топология – менялось причудливейшим образом, квантовым образом…”.

Я предупреждал, что придется собственное “воображение” включить на максимум! Ученые пользуются мощными компьютерами, пытаясь представить рождающуюся картину возникновения миров, ну а нам остается лишь довериться тому, что они говорят:

“…Из-за квантовых флуктуаций в различные моменты времени случайным образом происходит превращение “кипящего вакуума” в отдельные пузыри раздувающихся вселенных. Каждая из них подобна нашей Вселенной, однако разные вселенные могут иметь разные физические свойства и развиваться по-разному”.

Тут уже у нас появляется возможность сравнить представленную картину с кастрюлей, где готовится манная каша. Вот она закипает, и, вместо того чтобы убавить огонь, мы увеличиваем подачу газа. Образуются пузыри, и они шумно лопаются на наших глазах. А если предположить, что они взлетают?

Впрочем, другая картина более наглядна. Внучка пускает пузыри. Они летают по комнате, переливаясь разными цветами в солнечных лучах. Это и есть вселенные, в одной из них мы с вами и живем…

“Время от времени в “кипящем вакууме” в отдельных местах случайным образом возникают пузыри – расширяющиеся вселенные. Потом возможен коллапс отдельных пузырей, и они снова перейдут в квантовое кипение. И даже без коллапса за гигантские промежутки времени отдельные вселенные из-за квантовых флуктуаций рано или поздно перейдут в квантовое состояние “кипящего вакуума”. Такая картина не имеет ни границ, ни пределов. Это вечное кипение, вечное рождение вселенных и вечное их умирание”.

И вдруг становится понятно, что воображение переносит нас в сказочную долину, которую со всех сторон окружают горные пики. Каждый из них – зарождающаяся вселенная. Сейчас она устремлена ввысь, но через некоторое время ее движение замедлится, а рядом вырастет новый пик… Мы видим лишь крошечный фрагмент жизни Сверхвселенной, которая непрерывно рождает малые вселенные и тут же убивает их. “Мгновения” для нее – это миллиарды лет для нас, но тем не менее и их не хватает, чтобы лучше оглядеться вокруг и понять, где и как мы живем.

Еще четверть века назад казалось, что наша Вселенная имеет начало и конец. Ученые пытались определить и день ее рождения, и дату смерти. Но сегодня совсем иная картина рисуется ими:

“Развитие космологии показывает, что наша Вселенная вечна. Она – один из пузырьков в Сверхвселенной. В этом сценарии Вселенная как целое бессмертна. Каждая отдельная часть Вселенной может отделиться от сингулярности этого кипящего вакуума когда-то в прошлом, она может закончиться в сингулярности когда-то в будущем. Однако нет конца эволюции всей Вселенной”.

Как опытный лектор Игорь Дмитриевич Новиков именно на этом весьма эффектном выводе закончил свой доклад. Он ожидал вопросов и не ошибся: они посыпались как из рога изобилия. Характер дискуссии показал, что вне зависимости от области личных интересов проблемы космологии интересуют всех.

Пожалуй, общее впечатление от представленной картины высказал академик Ю.А. Израэль: “Игорь Дмитриевич, спасибо за ваш доклад, который больше похож на лучшие рассказы Рея Брэдбери. Меня интересуют соображения космологов по поводу соседних вселенных”.

Докладчик поблагодарил за Брэдбери: если было столь же интересно, как при чтении его рассказов, то он цели достиг – проблемы Вселенной стали ближе каждому, а значит, труды астрофизиков не напрасны… И тут же И.Д. Новиков ответил на вопрос академика:

– Согласно теории, другие вселенные существуют, однако физические законы в них могут кардинально отличаться от законов нашего мира. Скажем, набор элементарных частиц будет другой, законы взаимодействия будут другие и так далее. Мы можем в какой-то степени расчетным путем дать статистические предсказания о свойствах таких разных ансамблей миров. Но сможем ли мы если не сейчас, то в будущем выйти за границы нашего пузыря, нашей Вселенной, и исследовать другие вселенные? К сожалению, непосредственно сделать этого нельзя. Дело в том, что границы каждого пузыря расширяются со скоростью, большей скорости света. Границы нашего пузыря, границы нашей Вселенной, удаляются быстрее любого сигнала, который мы можем послать к границе. Следовательно, выйти за его пределы мы не можем, так как не можем двигаться со скоростью, большей скорости света.

– Если представить, что в земных условиях будет получена энергия, сопоставимая с энергией инфляции, к чему это приведет?

– Идея создания искусственной Вселенной в лабораторных условиях высказывалась, но осуществить ее не так просто. Во-первых, плотности, которые при этом требуются, никакая технология не позволяет достичь. Во-вторых, материя, очень сильно сжатая в маленьком объеме, будет находиться внутри черной дыры. Если все-таки удастся создать искусственную Вселенную, то начнется ее расширение, но не в нашем пространстве, а внутри черной дыры, в другом, если можно так выразиться, “пространстве-времени”. Катастрофы с нашей Вселенной не произойдет – можно спать спокойно. Такие гипотезы серьезно теоретически обсуждались.

– Поскольку признано, что Вселенная расширяется, то где находится центр, от которого происходит это расширение?

– Никакого центра у Вселенной нет. Дело в том, что, когда мы говорим “центр”, мы думаем, что есть какой-то шар в пустом пространстве и он пустое пространство расширяет. Ничего подобного! Вселенная, в том числе пузырь нашей Вселенной, в принципе такого центра не имеет. Когда мы говорим об отдельных пузырях, все не так просто, потому что пространство искривлено. Вселенная может быть бесконечна с самого начала в пространстве, и нигде у нее никакого центра нет. Она может быть замкнута, это может быть трехмерный шар, но и в нем никакого центра нет…

…Подчас дискуссия на заседании президиума РАН уходит в такие математические и физические дебри, что непосвященному становится немножко не по себе: мол, понять обсуждаемое невозможно. Однако вскоре кто-то “возвращает” к привычным образам, и ты вновь окунаешься в “кипящий котел” Сверхвселенной, где рождаются и умирают неведомые нам миры.

На каждом заседании ведется стенограмма, но даже опытным стенографисткам очень тяжело зафиксировать мысль того или иного участника дискуссии. Вот и приходится позже отправлять ему стенограмму, чтобы опубликовать отчет в “Вестнике Российской академии наук”. Чаще всего текст возвращается совсем новый, и это лишнее свидетельство тому, насколько дискуссия неповторима и жива, – рождаются новые идеи и образы, которыми обязательно хочется поделиться с коллегами.

Обсуждение на президиуме РАН – это не только подведение итогов тех или иных исследований, но и толчок к новым поискам. Дело в том, что оценку состояния области науки дают крупнейшие ученые страны, их мнение подчас становится решающим. Так было и на этот раз…

Академик Ю. ПАРИЙСКИЙ: “Красивые идеи всегда вели к эксперименту и привлекали крупные силы, которые создавали уникальные устройства и установки, требуя минимальных денег для этого, потому что они удовлетворяли свое любопытство. Весь экспериментальный мир сейчас пытается найти технологические решения, чтобы проверить предсказания инфляционной теории Вселенной. Упоминалось здесь и о нашем эксперименте “Космологический ген” на радиотелескопе РАТАН-600, который до сих пор остается самым крупным в мире рефлекторным телескопом. Мы недавно установили уникальную многоступенчатую матрицу. Она уже накапливает данные по флуктуациям неба по многочисленным фоновым излучениям, которые позволяют проверить теорию. Сейчас мы испытываем радиометры нового поколения. Новая технология с использованием гетероструктур и транзисторов высокого качества позволила уменьшить в миллионы раз объемы оборудования, в сотни раз сделать его дешевле, в тысячу раз снизить энергозатраты. Академия наук наконец начала финансировать наш проект, и я надеюсь, что мы получим результаты значительно раньше, чем будет выполнен эксперимент “Планк” – самый мощный в ХXI столетии”.

Академик Р. СЮНЯЕВ: “В свое время в этом зале я слушал доклады Я.Б. Зельдовича и А.Д. Сахарова. Но сейчас произошел прорыв, и космология нынче находится примерно в такой же ситуации, как география перед плаванием Магеллана. После запуска спутника “Планк” мы узнаем точно топологию Вселенной и что будет с нею дальше. И это счастье, что мы дожили до того времени, когда космология стала экспериментальной наукой… С другой стороны, мне очень грустно. Я один из участников эксперимента на спутнике “Планк”, запуск которого запланирован на

2007 год. Однако я уверен, что до этого времени проблема будет закрыта. И, скорее всего, она будет решена с помощью баллонов. НАСА выпускает сейчас пять высотных баллонов в год, чтобы исследовать распределение реликтового излучения на небе. И баллон, принесший первые подтверждения инфляционной Вселенной, летал в Антарктиде, где дуют широтные ветры. Точно такие же широтные ветры есть вокруг Северного полюса, и трассы высотных баллонов проходят и над нашей страной. Баллонный метод – самый лучший и дешевый”.

Академик А. БОЯРЧУК: “В течение нескольких лет мы проводили переговоры с американцами о баллонных экспериментах. Суть дела такова: для того чтобы над нашей территорией летали баллоны, необходимо получить много виз. И вот они собраны… Теперь перехожу к космологии. Мы не должны обольщаться тем, что все получается гладко. На самом деле в космологии огромная масса нерешенных проблем. Конечно, открытие и исследование реликтового излучения сразу внесло какую-то основу в представления об определенных этапах развития Вселенной, и мы теперь можем проверить теорию с помощью наблюдений. Словом, интересная и интригующая космология, которая пытается объяснить, откуда все взялось, бурно развивается. И мы должны пожелать успехов всем нашим астрономам и специалистам по ядерной физике, работающим в этой области”.

Академик Ж. АЛФЕРОВ: “Астрофизические исследования сегодня – самая, наверное, бурно развивающаяся область и физики, и астрономии, которая на самом деле дает очень много, в том числе и для понимания элементарных процессов. И здесь у нас очень хорошая школа, созданная многими поколениями ученых”.

Академик А. АНДРЕЕВ: “Уровень познания человека в астрономии и астрофизике традиционно служит показателем уровня его культуры. Релятивистская астрофизика появилась как экспериментальная наука не так давно, а как теоретическая – давно, в начале прошлого века. Отношение к ней многих даже культурных людей – это что-то очень сложное, подождем, “рассосется” и все будет просто и доходчиво. Так вот, не рассосется! Не рассосется точно так же, как не рассосалась теория относительности. Релятивистская астрофизика – наша гордость. Я говорю “наша” как представитель физической епархии в Российской академии наук.

В свое время великий физик Вернер Гейзенберг приводил пример физического утверждения, которое очень легко себе представить, но которое абсолютно бессмысленно. Это утверждение о том, что наряду с нашим миром существует еще другой мир, который, однако, с нашим никак не связан. Нынешнее достижение не в том, что люди догадались, что могут быть другие вселенные. Это тривиально. Нетривиальность в том, что появились реальные способы увидеть и доказать, что некоторые явления, наблюдаемые в нашей Вселенной, свидетельствуют о существовании соседних вселенных, соседних “пузырьков”. Это огромное достижение физики и вообще науки”.

Казалось бы, на этом можно поставить точку в дискуссии, проведенной на заседании президиума РАН. Ясно, что подобные исследования были поддержаны, некоторые эксперименты утверждены, даже выделены на такие работы дополнительные средства из резерва президента РАН.

После заседания я спросил у одного из членов президиума о его реакции как гуманитария на подобные дискуссии.

– Мне было очень интересно, хотя я далеко не все понял, – ответил он. – Главное, что теперь я крепко усвоил: нашу Вселенную нужно писать с прописной буквы, а остальные нет…

Владимир ГУБАРЕВ

© "Литературная газета", 2002