Александр Шаров - Человек, открывший взрыв Вселенной. Жизнь и труд Эдвина Хаббла

• Название: Человек, открывший взрыв Вселенной. Жизнь и труд Эдвина Хаббла
• Автор: Александр Шаров
• Издательство: Наука
• Жанр: Биографии и Мемуары
• Год: 1989
• ISBN: 5-02-014076-7

Описание жизни и деятельности великого ученого нашего столетия  Эдвина-Пауэла Хаббла (1889—1953), автора замечательных открытий, определивших лицо современной астрономии. Его исследования утвердили концепцию островной Вселенной, состоящей из звездных систем-галактик, подобных Галактике, в которой мы живем. Главным достижением Хаббла явилось открытие закона красного смещения линий в спектрах далеких галактик, свидетельствующего о расширении Вселенной. Рассказывается также об исследованиях, продолживших дело Хаббла: о теории горячей Вселенной, о физике процессов в расширяющейся Вселенной, открытии реликтового излучения, о замыслах новых наблюдений для уточнения картины строения и эволюции Вселенной.

При написании биографии ученого использовался ряд материалов, никогда ранее не публиковавшихся.

---

Возникает вопрос — какой смысл в подобных рассуждениях? «Кто» или «что» может варьировать законы физики, ведь мы знаем реальные значения фундаментальных постоянных и, используя эти значения, должны вести рассмотрение всех процессов в природе. Ведь нет же в действительности какой-то «другой» физики и нет «других» вселенных?

Прежде чем рассматривать попытки ответа на эти вопросы, обратим внимание на следующие удивительные факты, относящиеся к «нашей» физике и «нашей» Вселенной. Условия, которые мы перечисляли выше, и другие необходимые для существования сложных структур, выглядят порой весьма странно.

В самом деле, обратимся к первому условию, записанному в виде неравенства me < Δm. Согласно этому неравенству, масса электрона должна быть мала и не просто мала, а меньше 1,3 МэВ. Посмотрим теперь на список масс элементарных частиц. Электрон — наилегчайшая частица из имеющих массу покоя. Она в две тысячи раз легче протона и в двести раз легче следующей по массе частицы — мюона. Обращает на себя внимание, что электрон не просто легче всех других частиц, но и существенно легче. Так, почти все остальные «обычные» элементарные частицы по массе не слишком сильно отличаются друг от друга и имеют массу порядка 1 ГэВ. Электрон явно резко выделяется в меньшую сторону на этом фоне. На все эти факты обратил специальное внимание И. Л. Розенталь.

Очень малая масса электрона выглядит как некая крупная флуктуация. Если бы этой флуктуации не было и электрон был бы, например, всего в несколько раз легче мюона, то неравенство me < Δm не выполнялось бы со всеми вытекающими отсюда катастрофическими последствиями.

Обратимся теперь к неравенству Δm < Eсв + me. Оно требует, чтобы разность Δm масс нейтрона и протона была достаточно мала.

Протон и нейтрон — похожие частицы, отличающиеся лишь зарядами и небольшой разностью масс. Такие семейства похожих частиц получили название «изотопических мультиплетов». Если посмотреть на список разности масс в других подобных семействах, стабильных относительно сильного взаимодействия частиц, то увидим, что Δm для протона и нейтрона заметно меньше их всех. Снова флуктуация! И опять как раз такая, чтобы выполнялось рассмотренное выше неравенство, необходимое для существования сложных структур.

Приведенные примеры показывают, что значений констант зачастую выглядят так, как будто природа специально «подгоняла» эти значения для того, чтобы могли появиться сложные структуры во Вселенной и, в конце концов, чтобы могла появиться жизнь. При этом природе «приходится» устраивать иногда значительные флуктуации от типичных значений констант, устраивать весьма «тонкую настройку» законов физики.

Заметим, что существует еще одна «странность» в сегодняшней Вселенной. Речь идет о совпадении по порядку значений времени существования типичной звезды и времени, протекшем с начала расширения Вселенной.

Это совпадение действительно выглядит весьма странно. Время существования звезды, как можно показать, определяется скоростью ядерных реакций в ней, непрозрачностью вещества, т. е. в конечном счете, свойствами протонов и электронов, и силой гравитационного взаимодействия, определяемой постоянной тяготения G. Продолжительность «жизни Вселенной», с другой стороны, определяется совсем другими процессами, процессами, которые протекали в начале Большого взрыва Вселенной.

Так что же означает близость этих времен — случайное совпадение или что-то важное?

Сравнительно недавно возник новый научный подход, который пытается ответить на этот вопрос, а также объяснить все особенности и «странности» нашей Вселенной (некоторые из них уже рассмотрены выше),. Известный советский космолог А. Л. Зельманов, характеризуя этот подход, сказал: «Мы являемся свидетелями данных событий потому, что другие события протекают без свидетелей». Эти слова выражают суть так называемого антропного принципа.

Что это за принцип и какое отношение имеет он к рассматриваемым проблемам?

Прежде всего заметим, что сложные формы движения материи — например, такие, как сложные химические соединения, жизнь и тем более разумная жизнь, могли возникнуть во Вселенной только на определенном этапе ее развития, близком к нашей эпохе. Действительно, сложная химия и жизнь, по крайней мере в известных нам формах, требует существования планет земного типа, вероятно, с океанами, обогреваемыми достаточно близкой звездой, свечение которой длительно не меняется. Для развития жизни, конечно, нужна сложная химия и благоприятные условия в течение многих миллиардов лет.

Перечисленных условий заведомо не было в далеком прошлом Вселенной, когда не существовало ни звезд, ни планет. Не может жизнь начать зарождаться, по-видимому, и в далеком будущем, когда звезды погаснут, и тем более — в очень отдаленном будущем, когда распадутся тяжелые частицы, превращаясь в свет и нейтрино.

Отсюда первый вывод — жизнь и разумная жизнь нашего типа могут возникнуть во Вселенной во вполне определенный выделенный период — в нашу эпоху, когда есть для этого условия.

Таким образом антропный принцип объясняет, казалось бы, странное совпадение времени существования звезды и Вселенной. Это объясняется так: для нашего появления во Вселенной должно выполняться примерное равенство возраста Вселенной времени существования звезды, что на первый взгляд казалось загадочным.

Другой вывод антропного принципа состоит в том, что наблюдатели («свидетели») могут появиться только при определенном наборе физических констант, при определенных физических законах, о чем мы говорили выше. Если и были (или может быть есть?) другие вселенные, с иными законами, то они существуют без сложных структур, а, значит, без «свидетелей». В них никогда не появляется жизнь. Таким образом, наша Вселенная такая, как мы ее видим именно потому, что мы в ней есть.

Антроцный принцип активно разрабатывался и разрабатывается сейчас известными физиками и астрономами: Р. Дикке, Г. Гамовым, П. Дираком, С. Хоукингом, Я. Б. Зельдовичем, М. Рисом, Дж. Уилером, Б. Картером, Д. Барроу, И. Л. Розенталем и другими.

Еще одной фундаментальной особенностью нашего мира является тот факт, что физическое пространство почему-то трехмерно; не двумерно, не пятимерно, а именно трехмерно. То, что здесь кроется какая-то загадка, физики осознали достаточно давно. Еще Э. Мах прямо и недвусмысленно ставил вопрос: «Почему пространство трехмерно?» Серьезный анализ проблемы был начат знаменитым физиком П. Эренфестом.

Чтобы попытаться осознать суть этой проблемы, можно поступить аналогично тому, как уже делалось с другими фундаментальными константами — мысленно изменить число измерений пространства, т. е. постараться представить, что было бы, если бы пространство имело размерность, отличную от трех.

Мы остановимся здесь на рассмотрении лишь некоторых изменений в простейших физических взаимодействиях, которые произойдут при вариации размерности пространства.

Одним из самых простых примеров физических взаимодействий является закон Кулона для покоящихся зарядов и закон Ньютона для тяготеющих масс. В обоих случаях сила взаимодействия ослабевает обратно пропорционально квадрату расстояния F ∝ 1/r2. Однако еще И. Кант понял, что закон обратных квадратов есть следствие трехмерности нашего пространства. В самом деле, почему сила, например, электростатического взаимодействия ослабевает с расстоянием? Наиболее наглядный ответ заключается в том, что с ростом r силовые линии поля распределяются на все большей поверхности сферы, охватывающей заряд и имеющей радиус r. Площадь сферы растет как r2, значит, плотность силовых линий,

пронизывающих эту сферу, уменьшается ~ 1/r2, что и определяет закон изменения силы. Но сказанное справедливо только в трехмерном пространстве. Если пространство четырехмерно, то площадь трехмерной сферы (геометрического места точек, равноудаленных от центра в четырехмерном пространстве) пропорциональна r3, а для пространства N измерений эта площадь пропорциональна rN-1. Отсюда и закон изменения электростатической и гравитационной силы в N-мерном пространстве F ∝ 1/rN-1. Почему так важно изменение закона падения силы в пространстве размерности N? Рассмотрим движение пробного заряда на круговой орбите вокруг центрального заряженного тела (с зарядом противоположного знака, чтобы было притяжение) в пространстве любой размерности N. Пусть задан момент количества движения заряда (он не может меняться при движении). Тогда центробежные силы будут пропорциональны 1/r3 и не зависят от N. Из механики известно, что

для существования устойчивых круговых орбит необходимо, чтобы центробежные силы уменьшались с расстоянием быстрее, чем F. Иначе движение по кругу будет неустойчивым и малейшее возмущение приведет либо к падению заряда к центру, либо к удалению его в бесконечность. А отсутствие устойчивых круговых орбит означает отсутствие вообще связанных состояний, когда заряд движется в ограниченной области пространства вокруг центрального тела. Отсюда следует, что для существования связанных состояний необходимо N ≤ 3. Этот результат был распространен впоследствии на квантовую механику.