У. Кэри
В ПОИСКАХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ РАЗВИТИЯ ЗЕМЛИ И ВСЕЛЕННОЙ
История догм в науках о Земле

ЧАСТЬ VI
ОБЩИЙ ВЗГЛЯД НА ВСЕЛЕННУЮ

23
Земля и космология

Естественно, я должен попытаться объяснить, чем вызвано описанное мной ускоряющееся расширение Земли. Однако если предлагаемое здесь объяснение окажется неверным, то отвергнуть надо будет именно объяснение, а не саму реальность расширения. Вспомним, что Вегенер представил свои эмпирические данные о перемещении материков вместе со своим физическим объяснением. Когда последнее оказалось неадекватным, вся идея перемещения материков была отвергнута на несколько десятилетий, хотя в конечном счете она была признана в основном правильной.

Рассмотрим сначала пять объяснений, предложенных другими авторами.

1. Циклические пульсации Земли, при которых фаза расширения характеризуется раскрытием или разрастанием океанских впадин, а фаза сжатия — явлениями орогенеза. Этой системы взглядов придерживались и придерживаются некоторые советские и другие исследователи (например, Шнейдеров, Стайнер, Ханн, Кропоткин, Милановский). Пульсации — альтернатива простому расширению, но не объяснение причин. Такое представление не вяжется с экспоненциально возрастающей скоростью расширения; кроме того, оно основано на глубоко укоренившейся ложной аксиоме, что орогенез подразумевает сжатие (сокращение) земной коры. В самом деле, другие советские геологи, возглавляемые Белоусовым, всегда стояли за отказ от контракционной теории, утверждая, что орогенез — это в первую очередь процесс вертикальных движений, обусловленных силой тяжести. Я целиком поддерживаю эту точку зрения. Тем не менее я считаю весьма убедительными данные о том, что орогенезу присущи цикличность и пульсации, — вероятно, в целой иерархии временных шкал, — когда расширение то усиливается до самой высокой степени, то убывает, возможно, до нуля, сменяясь затем новой волной усиления. Я не вижу никаких данных, для объяснения которых требуется сжатие коры. Все грандиозные надвиги, которые можно видеть в Альпах и Гималаях, — это неизбежное следствие диапирового орогенеза.

2. В последние десятилетия некоторые ученые (например, Ф.Дакилль, С.В.М.Клюб и У.М.Напье, Л.С.Майерс и др.) предлагали объяснение, в котором главная роль отводилась аккреции (присоединению к Земле) метеоритов и астероидов. Конечно, Земля получала добавки такого рода к своей массе на протяжении всей своей истории, и были выдвинуты серьезные доводы в пользу того, что в конце мелового периода, около 60 млн. лет назад, с Землей столкнулся крупный астероид. В самом деле, каждый день происходит какое-то добавление массы за счет микрометеоритов и ежегодно в определенное время появляются хорошо известные метеорные потоки, которые по меньшей мере в некоторых случаях совпадают по времени с пересечением Землей кометных орбит. Современная интенсивность аккреции на много порядков меньше той, которая могла бы привести к сколько-нибудь существенному увеличению объема и радиуса Земли. Данные по другим планетам и спутникам указывают на то, что несколько миллиардов лет назад такой привнос вещества был весьма значительным. Однако данный процесс не может быть главной причиной расширения Земли, потому что величина метеоритного потока со временем экспоненциально убывает, тогда как расширение экспоненциально нарастает.

3. Третья и наиболее популярная среди ученых теория постулирует, что первоначально у Земли было ядро из сверхплотного вещества, которое медленно превращалось в «нормальный» материал, вызывая постепенное расширение планеты. Различные модели такого рода предлагались многими авторами из США, Канады, Австралии, Венгрии, Великобритании, Германии и Советского Союза. В предыдущих главах этой книги было сказано, что твердые вещества в результате перекристаллизации по мере возрастания всестороннего давления превращаются во все более плотные материалы: графит становится алмазом с увеличением плотности на 50%, кварц переходит в коэсит, из него — в стишовит с таким же уплотнением, базальт (состоящий в основном из полевого шпата и авгита) превращается в более плотный эклогит, состоящий из граната и жадеита. Давления на глубинах всего в несколько десятков километров достаточно, чтобы вызывать такие изменения, и предполагается, что при тех давлениях, которые достигаются в ядре, плотность может быть во много раз больше. Конечно, фантастически высокие плотности существуют, как полагают, в белых карликах и нейтронных звездах, но критики утверждают, что давление внутри Земли никогда не было столь большим, чтобы могло появиться постулируемое сверхплотное ядро.

Стремясь уйти от ударов критики, некоторые ученые заявляют, что сверхплотное ядро было унаследовано от какой-то более ранней стадии (до того, как Земля выделилась из своего звездного прародителя) и оставалось с тех пор в метастабильном состоянии. Например, метастабильно обыкновенное стекло: его девитрификация, т.е. переход в кристаллическое состояние, происходит на протяжении нескольких столетий. Точно так же метастабильны на земной поверхности эклогит, стишовит и алмаз, однако время релаксации (число лет, за которое рекристаллизация захватит около трети всего вещества) для них очень велико. Поэтому, согласно данной гипотезе, вещество метастабильного сверхплотного ядра постепенно переходило в менее плотные материалы, что вызывало значительное расширение Земли. Остается, однако, роковое препятствие для всех таких теорий — постулат о том, что первичная Земля обладала такой же массой, как сейчас, но ее диаметр был вдвое меньшим. В этом случае сила тяжести на поверхности была бы примерно вчетверо больше современного значения, и это проявилось бы во многих геологических процессах. Проф. Стюарт из Редингского университета в Англии отверг идею расширения Земли именно по этой причине. Но важной предпосылкой его позиции было допущение, что масса Земли существенно не менялась.

4. Согласно ньютоновскому закону тяготения, притяжение двух тел друг к другу пропорционально произведению их масс, деленному на квадрат расстояния между ними; коэффициентом пропорциональности служит «гравитационная постоянная» G. В последние полвека несколько видных физиков, в том числе Дирак в Великобритании, Йордан в Гамбурге, Дикке в Принстоне, Д.Д.Иваненко и Р.М.Сагитов в СССР, высказывали предположение, что гравитационная «постоянная» в действительности не постоянна, а уменьшается со временем. Это заставило бы Землю расширяться. Недра нашей планеты повсеместно находятся в состоянии упругого сжатия под действием веса вышележащих пород. Постепенное уменьшение значения G должно было всюду уменьшить эту нагрузку, дав всем породам возможность упруго расширяться.

Кроме того, все описанные выше фазовые изменения (графит — алмаз, кварц — стишовит, базальт — эклогит) зависят от давленая, и очень большое число таких фазовых переходов происходит на всех глубинах внутри Земли. По мере уменьшения G глубина каждого из этих переходов должна смещаться вниз — до уровня соответствующего давления, так что будет развиваться все большее расширение. Многие считают, что такое изменение G действительно происходит и, следовательно, связанное с ним расширение Земли неизбежно. Но остаются две проблемы. Во-первых, с помощью этого механизма трудно получить требуемую количественную степень расширения. Второе важное препятствие, на которое указывают те, кто отстаивает идею о постоянстве массы Земли, не только остается, но и возрастает: если бы значение G в прошлом было выше, то сила тяжести на поверхности должна была быть еще большей, чем в случае одного только изменения радиуса Земли. Следовательно, вековое уменьшение G не может быть главной причиной расширения.

5. Предположение о том, что расширение вызвано некой космологической причиной, связанной с вековым увеличением массы, впервые было высказано в России и затем постоянно развивалось в этой стране (Ярковский в 1889г. и его последователи — Кириллов, Нейман, Блинов и Б.И.Веселов). В 1933г. в Берлине независимо Хильгенберг пришел к идее о вековом возрастании массы, а в 1976г. к этому же выводу пришел и я, убедившись в неприемлемости высоких значений силы тяжести на поверхности Земли, когда ее диаметр был меньше. Хотя другие объяснения, упоминавшиеся выше, хорошо обоснованы и предполагаемые в них процессы должны были в какой-то мере способствовать расширению, ограничения на величину силы тяжести на поверхности в прошлом не оставили мне иной альтернативы, кроме как присоединиться к русским ученым и Хильгенбергу в их заключении, что не только объем Земли увеличивался, причем с возрастаюшей скоростью, но и ее масса.

Тогда же я понял, что эта загадка относится не только к Земле. Расширение Вселенной было открыто полвека назад, но следствия закона Хаббла (о котором будет говориться позже в этой главе) заставили меня сделать вывод, что все тела во Вселенной испытывают такое же ускоряющееся увеличение массы. Поэтому чтобы понять расширение Земли, надо стремиться понять расширение Вселенной. Должен ли я, будучи всего лишь геологом, просто развести руками и оставить решение проблемы расширения Земли космологам? К сожалению, если бы я так поступил, то интерес к этому делу зачах бы и увял.

С академической точки зрения наука делится на физику, химию, геологию, геофизику, астрономию и т.д. Развитие науки сейчас идет в направлении все большей специализации, и ученые, знания которых в других областях все сокращаются, с насмешкой отзываются о тех, кто вторгается в чужие сферы деятельности, и не терпят их вмешательства. Доктрины вырастают в убеждения и преподносятся другим уже как факты. Фундаментальные проблемы, как правило, замалчиваются и откладываются на неопределенное время. Но Природа сама по себе не знает таких барьеров. Вся наука — это по существу не что иное, как просто здравый смысл и, будучи освобождена от ученого жаргона и непонятных обозначений, должна быть доступна для понимания любого мыслящего человека. Ученые обязаны обеспечивать согласованность представлений, причем не только в пределах собственной специальности, но и по отношению ко всей природе. Для решения наиболее фундаментальных проблем требуется приток информации из различных источников. Данные геологии содержат столь же важные обоснования для формулирования новых физических законов, сколь и физические лабораторные эксперименты; более того, масштабы размеров, массы и времени в геологии выходят далеко за пределы, достижимые в лабораторных опытах. Физика себя обедняет, если пренебрегает потенциальным вкладом геологии. Так было, когда Ньютон с презрением относился к доводам Гука, Кельвин игнорировал выводы геологов о возрасте Земли, Джеффрис отвергал идею о материковом дрейфе, а современные палеомагнитологи упрямо строят свои траектории миграции палеополюсов, не допуская значительного изменения земного радиуса. В 1970г. я закончил свою президентскую речь на собрании Австрало-Новозеландской ассоциации содействия развитию науки следующими словами:

«Наши предки в течение тысячелетий считали очевидной истиной, что Земля плоская. Позднее мы считали очевидным, что — поскольку Солнце, Луна и звезды восходят на востоке и заходят на западе — Вселенная обращается вокруг Земли. Тысячелетиями мы считали очевидным, что диаметр Земли существенно не изменился со времени ее первичного формирования, кроме как в результате сжатия при остывании. Но теперь мы обнаруживаем, что Земля постепенно расширялась и продолжает расширяться с возрастающей скоростью. Чем скорее физики усвоят урок, вытекающий из таких примеров, тем скорее они найдут новые законы, необходимые для объяснения этих фактов. Здесь лежит ключ к важнейшему новому открытию».

Итак, в поисках смысла найденного мной возрастания как диаметра, так и массы Земли я, геолог, должен устремиться в дебри космологии, затронув такие понятия, как пространство-время, потому что если я оставлю это дело специалистам, оно не будет сделано, во всяком случае при моей жизни. Кроме того, прошлое учит нас, что вырваться из общепринятой догмы обычно под силу только тому, кто приходит из другой области знаний.

Закон Хаббла и «Большей Взрыв»

В первые годы нашего столетия астрономы обсуждали вопрос о том, находятся ли многочисленные туманности внутри нашей Галактики (Млечного Пути) или далеко за ее пределами. Эдвин Пауэлл Хаббл в 1924г. решил этот вопрос, обнаружив переменные звезды (цефеиды) в туманности Андромеды и тем самым доказав, что она представляет собой самостоятельную звездную систему, весьма похожую на нашу собственную Галактику, но находящуюся от нее на расстоянии около миллиона световых лет. В дальнейшем он выделил еще сотни таких галактик, расположенных еще дальше, а в 1929г. заявил, что чем дальше находится галактика, тем быстрее она от нас удаляется. В этом и состоит сформулированный Хабблом закон: скорость разбегания галактик возрастает примерно на 30 км/с на каждый миллион световых лет их расстояния от нас. Следовательно, Вселенная расширяется. Оценки «постоянной Хаббла» были несколько различными — в зависимости от метода измерения, — но это не влияет на сам принцип. Затем Дирак сделал очевидный вывод: из этого принципа следует, что если возвращаться во времени назад, то чем дальше мы будем идти, тем ближе одна к другой будут становиться все галактики. Приведем цитату из работы Дирака 1937 г.: «Вселенная возникла около двух миллиардов лет назад, когда все спиральные туманности были как бы выстрелены из небольшой области пространства или, возможно, из одной точки!».

Какую же гигантскую массу должна была иметь эта точка! Вся масса целой Вселенной концентрировалась в ней! Сотня миллиардов галактик, в каждой из которых примерно по 100 миллиардов звезд, была сконцентрирована в одной точке! Этот сверхтяжелый зародыш Вселенной, по-моему, невозможно вообразить. Как утверждают ученые, в нашей Галактике существует множество черных дыр, которые настолько плотны, что даже излучение не может исходить из них. Но и они кажутся легкими пушинками по сравнению с тем зародышем. Леметр называл его «первоатомом». Гамов присвоил ему название ylem (айлем)*. Но определенно ничто — ни вещество, ни даже излучение — не могло бы вырваться из такого средоточия массы. Современные космологи согласятся с этим и будут доказывать, что ничто и не вырывалось, ибо ни время, ни пространство не существовало вне такого зародыша и не существуют за пределами родившейся каким-то образом современной Вселенной. Несомненно, на начальных этапах весь космос должен был быть заключен внутри радиуса Шварцшильда и оставаться самой черной из всех черных дыр, какие можно вообразить.

Что же тогда означает закон Хаббла? Он означает, что то, что я счел возможным сказать о Земле, применимо и ко всей Вселенной: увеличение объема и возрастание массы идут рука об руку.

Возвращение хаббловской расширяющейся Вселенной к началу должно включать убывание массы, так что начальный зародыш имел не такую немыслимо большую массу, какую предполагали Дирак, Фридман, Леметр, Эддингтон и Гамов, а наоборот, совершенно ничтожную и, возможно, даже вовсе не имел массы! «Большой Взрыв» (как называют теперь — несколько вольно — эту концепцию) — просто вымысел, фантазия. Как и большинство моделей Вселенной, данная концепция принимает в виде аксиомы, что все ее вещество существовало с момента возникновения. Что свидетельствует об этом? Ничто: это совершенно необоснованное допущение.

Миф о Большом Взрыве надо отвергнуть и по более серьезной причине. Согласно этой теории, вся масса целой Вселенной, т.е. сырье для последующего построения 100 миллиардов галактик, появилось мгновенно на пустом месте — из ничего. Это нарушает первую аксиому физики — закон сохранения. Бонди указывал, что «начало» Вселенной мыслится как особая (сингулярная) точка на границе сферы понятий, относящихся к физике. Любой вопрос о том, что предшествовало этому началу или какова его природа, уже не рассматривается физикой, и она не может дать на него ответ. Законы физики появились вместе с рождением Вселенной, но эти законы не рассматривают сам акт творения. Физика уклоняется от проблемы творения, пряча его, как сор под половик. По словам Макрея, рождение Вселенной случилось раз и навсегда и поэтому не может служить предметом обычной физической дискуссии, но определяет начальные условия для всех остальных обсуждаемых тем.

Такая физика не имеет корней. Я считаю это неприемлемым. Для меня законы природы, в том числе законы сохранения, должны быть универсально справедливы. Это возможно только в том случае, если Вселенная представляет собой некоторое нулевое состояние, что было высказано в 1973г. Эдуардом Трайоном на основе космологических соображений и совершенно независимо мной в 1978г. по аналогии с идеей расширения Земли. Вселенная всегда была, есть и будет некоторым нулевым состоянием. Сотворение материи и энергии напоминает получение (когда в кассе ничего нет) банковской ссуды, с которой создается некое имущество, дающее возможность заключать все виды деловых соглашений, но при этом та же сумма возникает в виде долга, т.е. с противоположным знаком. Ниже будет развита эта концепция нулевой Вселенной.

С методологической точки зрения Большой Взрыв неизбежно включает дилемму Анаксимандра, обсуждавшуюся позднее Аристотелем, о «всеобъемлющем» первоначале, или первопричине. Поскольку у этой дилеммы не было логического решения (кроме нулевого), необходимо было привлекать божественное вмешательство, не подчиняющееся ни законам природы, ни логическим построениям. С точки зрения логики это не помогает решить дилемму первопричины, поскольку только подменяет вопрос о первоначальном творении вопросом о происхождении творца, что ведет к проблеме типа «что было раньше: курица или яйцо» — бесконечной последовательности создателей, создающих создателей. Однако с самого начала развития разума то, что нельзя было объяснить с помощью наблюдений и разумных умозаключений, всегда приписывалось богам, которые могут сделать все, что захотят. Поскольку большинство философов вплоть до сегодняшнего дня верит в божественное начало, лишенная корней физика для них вполне приемлема. Это безусловно относится к Эйнштейну, который неоднократно заявлял о своей вере в Бога и не мог принять принцип неопределенности, потому что «Бог не играет в кости».

«Новая космология» ухватилась за принцип неопределенности, чтобы уйти от дилеммы о происхождении Большого Взрыва. Не только вся материя и энергия целой Вселенной появились в этот момент из ничего, но и само время и пространство. До того момента не существовало ни времени, ни пространства, ни Бога. Сам вакуум флуктуирует случайным образом около нулевого состояния, в результате чего появляется вероятность возникновения материи в любой момент, и таким образом в какой-то момент появилась вся Вселенная в виде сверхплотной плазмы, которая с тех пор расширяется. Существуют надежные экспериментальные данные о том, что случайные квантовые флуктуации действительно происходят в субатомном мире и описываются волновой функцией Шредингера; это имеет важные практические приложения, например в физике полупроводников (таких, как туннельные диоды).

Однако эта модель имеет два роковых изъяна. Во-первых, в то время как вероятность играет важную роль на субъядерном уровне, ее роль уменьшается экспоненциально с ростом размеров, и привлекать квантовые флуктуации вакуума для создания модели Вселенной — полный абсурд. Во-вторых, модель Большого Взрыва допускает вслед за Эйнштейном, что масса и энергия — взаимопереходящие проявления одной и той же сущности; перед «началом» общая величина массы-энергии равнялась нулю, но в следующий момент она была уже невообразимо огромной — это была уже полная масса-энергия современной Вселенной. Но в модели квантовой флуктуации сумма массы-энергии до и после события остается неизменной, а роль флуктуации сводится всего лишь к тому, чтобы перепрыгнуть через потенциальный барьер (или проникнуть сквозь него), так что частица появляется на другой стороне барьера с первоначальной энергией. Призраки Анаксимандра и Аристотеля изгнать не удалось.

Эта абсурдность «новой космологии» проявилась только потому, что концепция Большого Взрыва в последнее время стала ее общепринятым кредо, и, как сказал Джон Арчибальд Уилер, когда потребовалось объяснить Большой Взрыв, единственно возможным объяснением показалась квантовая флуктуация. Хотя Вернер Гейзенберг вывел принцип неопределенности исключительно для субатомных явлений, где сам процесс физического измерения не позволяет одновременно определить точное положение и скорость субъядерной частицы (или это волна?), теоретики квантовой механики все смелее переносят этот принцип на явления макромира — вплоть до того, что создаваемые в последнее время модели кривизны пространства и гравитации все больше похожи на плоды деятельности воспаленного мозга (см., например, обзор квантовой теории гравитации Брайса Де Витта в «Scientific American», 1984*). Математики состязаются в умозрительном фантазировании, а «новые космологи» принимают эти фантазии за чистую монету.

В последние десятилетия не стихают дебаты о сравнительных достоинствах теории Большого Взрыва (по которой вся масса и энергия, а также время и пространство появились не более чем 20 млрд, лет назад) и теорий стационарного состояния Вселенной (сторонники которых не видят ни начала, ни конца). Недавно предпочтение отдавалось Большому Взрыву, поскольку эта теория свидетельствовала в пользу возрастающего числа радиогалактик и квазаров в единице объема с ростом расстояния (о чем можно судить по возрастанию силы сигнала и величины красного смещения в тех случаях, когда оптическое изображение совпадает с радиоисточником). Кроме того, во Вселенной, по-видимому, водорода вчетверо больше, чем гелия, что соответствует теории образования элементов при Большом Взрыве. Но еще более заметная подвижка к признанию этой теории последовала за случайным открытием, которое сделали в 1965г. два физика из Bell Laboratories — Р.У.Уилсон и А.А.Пензиас. Они обнаружили фоновое излучение Вселенной, очень напоминающее то, которое испускалось бы «черным телом» при температуре, близкой к абсолютному нулю («3 К). Такое «реликтовое» излучение было предсказано Георгием Гамовым как затухающий отсвет вспышки Большого Взрыва. Реальное существование фонового радиоизлучения Вселенной доказано, но его связь с исходным Большим Взрывом остается только умозрительной. Я же считаю, что фоновое излучение — это неизбежное проявление того, что получило название парадокса Ольберса.

Парадокс Ольберса

Генрих Вильгельм Ольберс (1758—1840), бременский физик и астроном-любитель, прославившийся открытием нескольких астероидов и комет, в 1826г. обратил внимание на один парадокс (о котором на 82 года раньше сообщил швейцарский астроном Филипп де Шезо, а фактически знали и некоторые другое начиная с Томаса Диггерса в 1596г. — Ольберс не упомянул об этом!): если бы звезды были распределены в бесконечной Вселенной равномерно, то луч зрения в любом направлении обязательно натыкался бы на звезду и все небо было бы залито ослепительно ярким светом. Поглощающее межзвездное вещество не могло бы нас защитить, так как в конечном счете оно излучало бы столько же, сколько получало. Ответ лорда Кельвина на этот парадокс заключался в том, что поскольку звезды испускают свет за счет гравитационного сжатия (как он считал), которое ограничивает продолжительность их жизни величиной 100 млн. лет, а время распространения света от них гораздо больше, чем длится их светимость, то даже если они встречаются во всем окружающем нас пространстве до бесконечности, мы в любое данное время можем получать свет только от малой их доли. Именно Хабблу принадлежит открытие, что все галактики разбегаются со скоростями, пропорциональными их расстояниям от нас. Это окончательно разрешает парадокс Ольберса благодаря эффекту, открытому в 1842г. австрийским математиком и физиком Христианом Иоганном Доплером (1803—1853).

Когда поезд приближается к нам с высокой скоростью, то звук его гудка постепенно поднимается до высокого тона, но когда поезд проходит мимо и быстро удаляется, его гудок становится более низким. То же самое происходит со светом его головного прожектора: при его приближении цвет световых лучей несколько смещается по спектру в сторону более высоких частот — но из-за того, что скорость приближения поезда очень мала по сравнению со скоростью света, на деле очень трудно заметить «посинение» света прожектора с приближением поезда и «покраснение» при его удалении.

Но скорость, с которой разбегаются далекие галактики, составляет уже не такую малую долю от скорости света, и доплеровское смещение цвета к красному концу спектра весьма значительно и вполне измеримо. В самом деле, свет самых далеких из наблюдаемых галактик смещается ко все более длинным волнам за пределами красного конца видимого спектра в инфракрасную область. Но на таком удалении они становятся уже такими тусклыми, что неразличимы в оптический телескоп, а различать еще более удаленные галактики оказывается не под силу и радиотелескопам — Вселенная как бы исчезает.

Это связано только с ограничениями нашей техники наблюдений. Промежутки между световыми лучами, приходящими к нам от отдельных галактик (если бы мы могли видеть все более тусклые объекты и принимать излучение со все большей длиной волны), становятся все меньше и меньше, и удаляющееся облако галактик превращается в микроволнах в однородную завесу. Это и есть сплошной светящийся небосвод по Ольберсу, но не ослепительный и обжигающий, как он предполагал, а как фоновое излучение Вселенной на длинах волн вблизи предела радиообнаружения и с температурой менее 3 К. Это свечение создается не каким-то одним излучающим объектом, а идет от обширного облака галактик, столь тесно расположенных в поле зрения, что они не разрешаются антенной. Они находятся от нас на самых разных расстояниях и имеют разную величину красного смещения, поэтому их общее излучение должно быть однородно распределенным по всему спектру и, следовательно, быть таким же, как излучение черного тела. Я называю эту узкую «щель», позволяющую заглянуть в самые отдаленные области Вселенной, «окном Ольберса».

Но и этот едва заметный прощальный отблеск разбегающихся галактик в конце концов исчезает навсегда, уходя в область радиоволн, недоступных для наших методов наблюдений. Абсолютный предел той Вселенной, который мы смогли бы различить в любом отдаленном будущем, будет достигнут тогда, когда мы дойдем до скоростей разбегания, близких к скорости света. У этого предела длина волны достигающего нас «света» приблизится к бесконечности; время, необходимое для того, чтобы он дошел до нас от своего источника, также приблизится к бесконечности, а интенсивность сигнала упадет до нуля. Что бы ни случилось за этим пределом, мы никогда этого не узнаем — у нас нет для этого никаких физических возможностей. Другими словами, мы вообще ничего не увидим, даже если астрономы в тех галактиках, которые находятся за пределами нашей познаваемой Вселенной, и наблюдают точно так же, как мы сейчас, разлетающиеся от них галактики. Свет, покинувший нашу Галактику примерно 10 млрд, лет назад, только сейчас достигает границы нашей познаваемой Вселенной в виде микроволнового излучения. По отношению к наблюдателю из какой-либо находящейся там галактики мы сами окажемся на краю его познаваемой Вселенной. Точно так же, например, в открытом океане: моряк, корабль которого только появился на нашем горизонте, видит нас на своем горизонте, но океан продолжается и за ним далеко за пределы нашего поля зрения. Так и за пределами познаваемой Вселенной космос продолжается еще далеко-далеко — до бесконечности. Граница нашей Вселенной — продукт нашего собственного воображения, и она не более реальна, чем горизонт того моряка.

Ньютоновское притяжение и хаббловское отталкивание

Если бы ньютоновский закон всемирного тяготения был действительно всемирным, универсальным, то все галактики притягивались бы друг к другу, сколь далеки они ни были бы друг от друга, но это противоречит эмпирическому закону Хаббла о разбегании галактик. Это не должно нас удивлять: ведь закон Ньютона — также чисто эмпиричеокий. Тщательные наблюдения, проведенные Тихо Браге, позволили Иоганнесу Кеплеру объявить в 1619г. — после шести лет отчаянных усилий по интерпретации и переинтерпретации данных Браге,— что орбита Марса представляет собой эллипс и Солнце находится в одном из фокусов этого эллипса. Ньютон объяснил это тем, что всякое тело должно притягиваться другим телом с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними, и что от этого зависят вес и движение тел на земной поверхности. Отсюда закон Ньютона. Но, как я подчеркивал, говоря о влиянии масштаба на физические явления, эмпирический закон не обязательно остается справедливым, когда его экстраполируют за пределы диапазона тех наблюдений, на которых он основан, — в данном случае за пределы Солнечной системы.

Лучше всего это можно проиллюстрировать, сравнивая законы Ньютона и Хаббла с эмпирическими законами деформации. Гук нашел, что в случае упругой деформации напряжение пропорционально величине деформации, что выражается формулой

где μ — модуль упругости, иногда называемый жесткостью, s — величина упругой деформации, а р — деформирующая сила, называемая напряжением. Примерно тогда же Ньютон установил, что деформация текучести пропорциональна вязкости вещества и продолжительности действия нагрузки, что выражается другой формулой:

где s — деформация, р — напряжение, t — время действия нагрузки, η — эмпирический модуль вязкости (динамическая вязкость.— Перев.). Для случая одновременной вязкоупругой деформации законы Ньютона и Гука были объединены Максвеллом в одну общую формулу, поскольку в этом случае оба закона действуют совместно (так и я объединяю законы Ньютона и Хаббла). Итак, мы получаем уравнение деформации Максвелла:

Дальнейшие эксперименты по деформированию стали, льда и мрамора показали, что если чисто упругая деформация обусловлена упругим отклонением атомов от положений равновесия и исчезает после снятия напряжения, а чисто вязкая деформация связана с диффузией атомов, происходящей статистически с атомами, которые обладают более высокой энергией тепловых колебаний, то все другие виды деформации представляют собой смещения по поверхностям легкого скольжения в кристаллических зернах. Поэтому эмпирическое уравнение деформации принимает вид

где β — еще одна эмпирическая константа. Физика полна примерами того, как подобные эмпирические законы оказываются несостоятельными, когда их экстраполируют за пределы тех условий эксперимента, на основе которых они были выведены.

Какое все это имеет отношение к кажущемуся конфликту между законом всемирного тяготения Ньютона и законом разбегания галактик Хаббла? Он просто означает, что хотя оба закона справедливы, размеры орбиты Марса, наблюдавшейся Браге, были слишком малы, чтобы можно было заметить влияние закона Хаббла. На основании наблюдений Браге вывел свой закон Кеплер, а на основе выводов Кеплера в свою очередь Ньютон сформулировал закон всемирного тяготения. В лекции на Джонстоновоких чтениях 1976г. я соединил законы Ньютона и Хаббла в общее уравнение — точно так же, как Максвелл объединил законы упругой и вязкой деформации:

	(5)

где G — гравитационная постоянная, m₁ и m₂ — массы двух тел, H — скорость разбегания галактик, найденная Хабблом, c — скорость света, (d — расстояние между телами,) а — безразмерный коэффициент, определяемый эмпирически. Величины H и c надо брать в четвертой степени для соблюдения размерности. Термин «размерность» употребляется в физике и прикладной математике в специфическом смысле: правильностью размерностей проверяется, в каких степенях надо вводить в формулу той или иной физической характеристики массу М, длину L и время Т. Размерность никак не связана с конкретными значениями величин. Таким образом, скорость — это частное от деления расстояния на время, т.е. L¹T^-1 (независимо от того, велика ли скорость или очень мала), энергия — это произведение массы на квадрат скорости, т.е. ML²T^-2, и т.д. В любом правильно составленном уравнении все размерности должны быть согласованными, и это требует, чтобы в объединенный закон Ньютона — Хаббла отношение H/c входило в четвертой степени.

Что означает уравнение (5)? Если опустить последний член, оно просто возвратится к закону Ньютона. Если опустить член, содержащий 1/d², остается только разбегание Хаббла. Сравнивая величины, видим, что Н — чрезвычайно малое число, а с — очень большое. Следовательно, дробь Н/с заведомо очень мала; если возвести ее в четвертую степень, получается фантастически малая величина. Поэтому в случае когда расстояние d ограничено размерами Солнечной системы, этот член настолько близок к нулю, что его нельзя обнаружить, анализируя орбиты планет, и то, что остается, — закон Ньютона в том виде, как он его и вывел. Однако член l/d² становится все меньше при увеличении расстояния d, а единственный изменяющийся сомножитель во втором члене уравнения — это d², и поэтому второй член, вначале крайне малый, становится все больше и больше и на каком-то расстоянии должен сравняться с первым членом, т.е. их разность сократится до нуля, а значит, притяжение будет нулевым.

Это рассуждение приводит к числовому значению коэффициента а. Когда я вставил в уравнение (5) числовые значения для Вселенной и принял постоянную а равной единице, то d оказалось радиусом познаваемой Вселенной. Чтобы из этого уравнения получить наблюдаемые скорости разбегания галактик, а следует принять равным 10/20: тогда ньютоновское притяжение и хаббловское отталкивание сравняются при расстоянии 10/5 световых лет. Я называю это расстояние «нулем Ньютона—Хаббла»; его можно изобразить на графике — рис. 105.

Рис. 105. Модифицированный закон тяготения.

Итак, мое уравнение (5) с успехом объединяет эмпирический закон Ньютона и эмпирический закон Хаббла. Расстояние, на котором притяжение становится нулевым, — это начальное расстояние между галактиками, так как на меньших расстояниях материя стремится сблизиться и образовать галактику, а на больших расстояниях действует космическое отталкивание, которое и объясняет тот непонятный при других толкованиях факт, что триллионы галактик примерно одинаковы по размерам — точнее, их размеры образуют гауссово распределение около некоторого среднего. На еще больших расстояниях тела начинают отталкиваться, и это отталкивание усиливается с увеличением расстояния. Ближе всех к нашей Галактике (Млечному Пути) находится галактика Большого Магелланова Облака: она лишь немного дальше минимума Ньютона—Хаббла, а наш ближайший спиральный сосед — большая туманность М31 в созвездии Андромеды — располагается на расстоянии около 2 млн. св. лет.

Скорость света с и постоянная Хаббла H — именно те постоянные, которые должны были появиться при таком обобщении ньютоновского закона тяготения. Они представляют собой две наиболее фундаментальные константы, связанные с космическими расстояниями, так как отношение c/H является радиусом познаваемой Вселенной; квадрат этого отношения — космологическая постоянная, которую Эйнштейн вынужден был ввести в свои уравнения общей теории относительности для объединения электромагнитного и гравитационного полей; четвертая степень данного отношения — это по существу объем Вселенной в четырехмерном пространстве-времени (так называемый гиперобъём). Эпитет «познаваемый» относится не только к способностям разума, но и к возможностям познания любых физических характеристик — энергии, массы, излучения. Следовательно, присутствие величины (H/c)⁴ в приведенном уравнении означает, что скорость уменьшения гравитационного притяжения с расстоянием, минимальное расстояние между галактиками и гиперобъём познаваемой Вселенной — все эти величины внутренне взаимосвязаны.

Как уточнение исходных данных требовало введения дополнительных членов в уравнение Максвелла и как постепенно уточнялась формула для фигуры Земли (см. гл. 2), так и новые данные, получаемые в результате дальнейших наблюдений, могут потребовать некоторого изменения закона Ньютона—Хаббла, записанного здесь в виде уравнения (5). Кривизна графика на рис. 105 не очень точно соответствует современной формулировке закона Хаббла, согласно которой скорость разбегания галактик составляет Н км/с на 1 мегапарсек (Мпс). Но значение H пока еще удается определять только грубо, и результат сильно меняется в зависимости от методов оценки.

При дальнейших ,исследованиях, возможно, будет найдена общая картина распределения галактик и, быть может, потребуется ввести в уравнение еще один член. Например, трое астрофизиков из Гарвардского университета (Джон Хухра, Валери де Лаппаран и Маргарет Геллер) сообщили о существовании своего рода пустот с поперечником порядка 100 млн. св. лет, которые кажутся лишенными каких-либо галактик. «Если мы правы, — говорят исследователи, — то эти пузыри наполняют Вселенную, как мыльная пена в корыте». Поистине они мыслят с космическим размахом, если могут вообразить мыльные пузыри размером более тысячи галактик, но их «корыто» может вместить миллиард миллиардов таких «пузырей»!

Нулевая Вселенная

Вероятно, уже 5000 лет назад мудрецы в северной Индии отрицали какое-то особое сотворение материи. Процитирую сделанный Дж.Аруначаламом перевод с санскрита: «Asdva idam agra aseet; tha do vai sata jayatah: ... tasmat swayama kurutha uchyata iti» (Вселенная сначала не имела формы, позднее она разделилась на сотни вещей; ...Вселенная создает сама себя — появляется сама по себе). Во втором веке до нашей эры еще без стесняющих мысль христианских оков Тит Лукреций Кар писал в поэме «De rerum natura» («О природе вещей»), что никакая божественная сила ничего не может создавать из ничего. Эта же мысль повторяется в изречении Иммануила Канта (1787): «Igni de nihilo nihil, in nihilum posse reverti» (ничто не приходит из ничего, и ничто не может вернуться в ничто). Я бы внес уточнение: «Omnia de nihilo gemina nasci, in nihilum gemina posse reverti» [Все создается из ничего в виде пары близнецов (как предмет и его зеркальное отображение), и парами все может вернуться в ничто].

Как кредит и дебет в новой банковской ссуде, нулевая Вселенная требует, чтобы все в мире взаимно уничтожалось: материя, энергия, заряд, количество движения, магнитные поля, спины электронов — в общем всё. Легко представить себе, что все электрические заряды во Вселенной взаимно уничтожаются, точно так же и магнитные поля и количества движения. Одинокая частица во всемирной пустоте не имеет ни скорости, ни количества движения. Если же имеются две частицы, то каждая из них обладает скоростью и количеством движения относительно другой. Нулевая Вселенная также требует, чтобы масса и энергия были друг другу противоположны и взаимно уничтожались. Они подобны двум сторонам одной монеты: ни одна не может существовать без другой.

Д-р К.Мёллер в 1958г. на Сольвеевской конференции в Брюсселе сформулировал непротиворечивое выражение общей плотности энергии во Вселенной, состоящее из вещественной части я гравитационной части. Если это выражение плотности энергии использовать для случая метрики однородной и изотропной вселенной, то получится, что «плотность энергии в любой момент времени равна нулю. Это означает, что положительная энергия материи постоянно уравновешена соответствующим количеством отрицательной гравитационной энергии».

Эйнштейн заметил, что самый удивительный факт в природе — эквивалентность инертной и гравитационной масс, и он положил это в основу своей общей теории относительности. Эдуард Трайон, космолог из Университета города Нью-Йорка, указал на это же обстоятельство: «Одна из самых поразительных особенностей нашей Вселенной состоит в том, что с точностью до погрешностей наблюдений независимо измеренные величины G [гравитационной постоянной], М [массы доступной для наблюдений Вселенной] и R [хаббловского радиуса] удовлетворяют соотношению GM/R=c², где с — скорость света». Трайон отметил, что нет никакой причины заранее ожидать такого равенства, так как G, М, R и с — независимые физические постоянные. Но этот факт, «удивительный» для Эйнштейна и «поразительный» для Трайона, с неизбежностью вытекает из концепции нулевой Вселенной, где масса и потенциальная энергия — неразлучные близнецы, взаимно уничтожающиеся в любой момент времени. Приведенное выше соотношение просто означает, что энергия, соответствующая инертной массе (mc²) любого тела во Вселенной, всегда равна потенциальной энергии Вселенной в поле этого тела (mGM/R). Иначе говоря, всегда, когда ко Вселенной добавляется какая-то новая масса, потенциальная энергия Вселенной возрастает на величину, эквивалентную этой массе. Масса и энергия — взаимно уничтожающиеся противоположности. Начиная от нулевой пустоты, масса и энергия добавляются равными порциями — их сумма остается равной нулю в любой момент времени.

Это можно выразить и иначе. Если ко Вселенной добавляется частица с массой m, она обладает, по Эйнштейну, внутренней энергией

В то же время добавление этой частицы создает новую гравитационную потенциальную энергию, обусловленную взаимодействием ее со всеми остальными частицами Вселенной:

где m₁ — масса частицы, находящейся на расстоянии r₁ от новой частицы m. Но

что, как указал Трайон (см. выше), эмпирически равно с², так что

Следовательно,

Значит, масса и энергия, добавляющиеся ко Вселенной, дают равный по величине, но противоположный по знаку вклад; они приходят из нуля и взаимно уничтожаются, обращаясь в нуль.

Мах, а позднее Эйнштейн были согласны с тем, что потенциальная энергия всей Вселенной — это непосредственная причина появления инертной массы. Согласно принципу Маха, одиночная частица в пустоте имеет нулевую инертную массу. Бесконечно малая сила придает ей ускорение. Энергия равна нулю, потому что инертная масса равна нулю, а значит, и потенциальная энергия mgh, и кинетическая энергия mv²/2 равны нулю. Инертная масса — проявление всей материи Вселенной. Эйнштейн подчеркивал также, что одиночная частица в пустоте не может обладать инерцией, потому что не может быть инерции материи относительно пространства, а только относительно другой материи. Энергия — это простая линейная функция инертной массы. Исходная форма ее mgh, и из нее можно получить выражение для любого другого вида энергии. Универсальная потенциальная энергия (как и производные из нее другие виды энергии) прямо пропорциональна общей инертной массе Вселенной.

Герман Бонди в книге «Космология» (1960) пришел к сходному выводу, используя безразмерные числа Дирака (не зависящие от длины, времени и массы). В 1937г. Дирак писал: «Любые два очень больших безразмерных числа, встречающиеся в Природе, связаны между собой простым математическим соотношением, в котором коэффициенты определяются порядком величины». Из того, что было сказано раньше о размерностях, ясно, что безразмерные числа появляются в физических соотношениях только при сравнении однородных характеристик, например массы с массой, энергии с энергией, силы с силой, потенциала с потенциалом. В следующей системе уравнений, взятой из книги Бонди, e — заряд электрона, m_е — масса электрона, m_p — масса протона, γ — гравитационная постоянная, cс — скорость света, ρ₀ — средняя плотность вещества во Вселенной, Т — величина, обратная постоянной Хаббла (имеющая размерность времени). Выражение (1) — отношение силы электрического притяжения к силе гравитационного притяжения между электроном и протоном. Выражение (2) — отношение радиуса «познаваемой Вселенной» к «эффективному» радиусу электрона. Выражение (3) — отношение массы «познаваемой Вселенной» к массе протона (что соответствовало бы числу атомов в «познаваемой Вселенной», если бы все они были атомами водорода). Выражение (4) представляет собой частное от деления (3) на произведение (1) и (2). Таким образом,

Последнее выражение показывает, что потенциальная энергия «познаваемой Вселенной» в поле массы m равна ее инертной массе:

что представляет собой формулу для инертной массы m тела. Таким образом, масса и потенциальная энергия тела равны между собой, т.е. мы пришли к тому же заключению другим путем. Масса и энергия — две стороны медали — возникают одновременно, возрастают в равной мере и обращаются в нуль вместе.

По-видимому, не следует удивляться тому, что моя новая формулировка закона Ньютона — Хаббла добавляет еще одно «большое число» к числам Дирака, так как отношение радиуса познаваемой Вселенной к радиусу типичной галактики составляет 10²⁰ и число звезд во Вселенной оценивается как 10²⁰.

Ясно, что числа 10⁰, 10²⁰, 10⁴⁰ и 10⁸⁰ колоссально различаются между собой. Бонди заметил по этому поводу: «Вероятность совпадений между числами порядка 10⁴⁰, возникающих без особой причины, так мала, что трудно удержаться от вывода, что они представляют собой выражение некой связи между космосом и микромиром — связи, еще никем не понятой». Но эта связь теперь становится понятной, так как она автоматически вытекает из концепции нулевой Вселенной.

Выведенное Виллемом де Ситтером однородное стационарное решение уравнений Эйнштейна впервые предсказало разбегание галактик со скоростями, пропорциональными их расстояниям, но это решение существует только в случае, если плотность массы-энергии равна нулю; другими словами, модель де Ситтера была моделью нереальной пустой Вселенной. Этот кажущийся дефект исчезает, если масса-энергия была, есть и всегда будет нулевой.

Закон Ньютона и закон Хаббла — оба эмпирические. Не известно никаких априорных причин, по которым каждый из них должен быть таким, а не иным. Просто было установлено, что Вселенная ведет себя именно так. Сам Ньютон был весьма озадачен этой эмпирической истиной, о чем писал в одном из писем Ричарду Бентли:

«То, что тяготение должно быть врожденным, унаследованным и неотъемлемым свойством материи, так что одно тело может действовать на другие на расстоянии через вакуум, без посредства чего-либо еще, что передавало бы их действие и силу от одного к другому, — кажется мне такой дикой нелепостью, что, думаю, ни один человек, способный трезво мыслить о философских вещах, никогда не впал бы в этот абсурд».

Подходя философски, мы не должны удивляться взаимодополняющему характеру законов Ньютона и Хаббла, поскольку в нулевой Вселенной все существует парами и взаимно уничтожается. Поэтому открыв гравитационное притяжение, мы непременно должны были обнаружить дополняющее его отталкивание, определяющее поведение материи на другой стороне от нулевой точки, как показано на рис. 105. Ньютоновское поле тяготения распространяется от каждой массы наружу, хаббловское поле распространяется от всей Вселенной — внутрь ее. Законы Ньютона и Хаббла — пара близнецов, неотделимых друг от друга. Ускорение силы тяжести не зависит от массы тела, движение которого ускоряется. Точно так же хаббловская скорость разбегания возрастает независимо от массы ускоряющегося тела. Применяя рационализацию Паркинсона к обсуждаемым ниже основным размерностям, находим, что ньютоновское ускорение и хаббловское разбегание имеют одну и ту же размерность Т^—1.

Космологический принцип

Концепция стационарной Вселенной восходит к Гераклиту Эфесскому (535—475 до н.э.): его вечно живая Вселенная не имела ни начала, ни конца, постоянно находилась в движении — в ней все время что-то возникало, разрушалось, но не было никакого направленного развития. Столетие спустя Платон вернулся к идее определенного начала, когда Бог создал мир и установил законы природы. Затем Аристотель отверг представление о начале времени и стал отстаивать мысль, что суша, ?море и небеса над ними существовали всегда — в установившемся состоянии потока без направленного развития.

В 1948г. концепция стационарного состояния была возрождена Германом Бонди и Томасом Голдом и независимо от них в том же году Фредом Хойлом, официально утвердившим «Космологический принцип», согласно которому наблюдатель, находящийся в некоторой точке космического пространства, видит во всех направлениях ту же общую картину, что и наблюдатель в любой другой точке космоса. Это утверждение было распространено и на время: наблюдатель в какой-либо точке видит ту же картину, что и другой наблюдатель где-либо, и не только сейчас, но и в любой другой момент в прошлом или будущем. В этом состоит «Совершенный Космологический Принцип» — постулат, не опровергнутый пока никакими наблюдениями.

Здесь необходимо ввести кое-какие новые определения. Термины «Вселенная» и «космос» обычно употребляются как синонимы. Когда Хаббл доказал, что туманности — это галактики, находящиеся далеко за пределами нашего Млечного Пути, стало модно называть их «островами во Вселенной», и кое-кто продолжает употреблять такое название. Поэтому я предлагаю называть «галактиками» просто галактики, «Вселенной» — нашу физически познаваемую Вселенную, а «космосом» — все беспредельное сущее, бесконечное в пространстве и времени согласно Совершенному Космологическому Принципу. Однако, если хаббловская скорость разбегания никогда не может достичь скорости света, Вселенную и космос можно считать идентичными и в равной мере бесконечными.

Модель стационарной Вселенной Бонди—Голда—Хойла несет в себе летальные гены, подразумевая, что материя должна непрерывно из чего-то создаваться, что противоречит законам сохранения. Эта дилемма исчезла только в последнее десятилетие, когда Трайон и я пришли к выводу, что материя и энергия — взаимно уничтожающиеся противоположности. Теория стационарного состояния должна также объяснять равновесие между распадом радиоактивных элементов и накоплением их стабильных продуктов распада.

Приверженцы концепции Большого Взрыва, полагая, что скорость разбегания — это остаточная скорость, полученная галактиками от начального толчка, рассуждают о том, будет ли Вселенная расширяться вечно или этот процесс замедлится и она в конце концов испытает коллапс в соответствии с ньютоновским законом всемирного тяготения, — возможно, вплоть до «Большого Схлопывания», когда вся материя соберется в точку и новый Большой Взрыв породит, как птицу-феникс, новую Вселенную, обреченную в свою очередь схлопываться и взрываться снова и снова, как вечный космический дизель. По их представлениям вопрос об общей массе Вселенной решается так: если она достаточно велика, то никакая материя не исчезает и суммарная масса в конце концов должна замедлить разбегание галактик вплоть до полной его остановки и заставить их начать ускоренное возвращение к центру. Современные оценки общей массы Вселенной не позволяют ям пока решить, является ли Вселенная гиперсфероидом, который должен будет когда-то испытать коллапс, или гипергиперболоидом, который будет расширяться вечно.

Приверженцы «новой» космологии делают далеко идущие выводы из своего открытия, что масса Вселенной настолько точно уравновешена, чтобы воспрепятствовать бесконечному расширению и в то же время предотвратить конечный коллапс; она так точно отлажена, — говорят они, — что в этом виден какой- то руководящий замысел.

Концепция нулевой Вселенной не оставляет по этому поводу никаких сомнений. Большого Взрыва никогда не было. Вселенная, согласно данному здесь определению, имеет постоянную массу и постоянный радиус. Новая материя вечно возникает у «нуля» Ньютона—Хаббла (и в других сингулярностях, упоминаемых ниже), но и вечно уходит за пределы нашей познаваемой Вселенной. Общепринятая догма о том, что Вселенная расширяется, в действительности неверна. Конечно, все галактики удаляются от нас, но это только выражает процесс постоянного появления новых галактик и их постоянного разбегания и исчезновения за пределами познаваемого мира. Этот стационарный процесс подобен установившемуся состоянию отрезка реки, который всегда остается неизменным, хотя в него непрерывно поступает новая вода, что уравновешивается вечным оттоком «старой» воды.

Представьте себе воздушный шар, покрытый пятнами. Когда его надувают, пятна кажутся удаляющимися одно от другого, и чем дальше, тем быстрее. Это и есть модель хаббловского разбегавия галактик, если не считать того, что оболочка воздушного шара — это двумерная поверхность, развивающаяся в трех измерениях, тогда как Вселенная — это трехмерная система, развивающаяся в четырехмерном пространстве-времени. Если вы теперь вообразите, что при увеличении расстояния между соседними пятнами между ними появляется новое пятно, вы получите модель стационарной Вселенной, всегда статистически-одинаковой, даже несмотря на непрерывное расширение. Но масса, размеры физически познаваемой Вселенной и число галактик в ней всегда остаются примерно одинаковыми, потому что, по мере того как в пустотах постоянно образуются новые галактики, другие галактики непрерывно исчезают за горизонтом познаваемого мира.

В 1966г. д-р Ричард Стотерс из Годдардовского центра космических полетов постулировал, что «материя создается там, где ее недостает (между скоплениями галактик), и именно потому, что ее там недостает (вследствие всеобщего расширения)».

«Нуль» Ньютона—Хаббла — сингулярная точка, где ускорение, обусловленное тяготением, равно нулю, но потенциальная энергия частицы для падения к центру какой-либо галактики максимальна. Значит, из этой области начисто выметается любая материя и там поддерживается самый полный вакуум во Вселенной. Материя может появиться там в результате случайных квантовых флуктуаций, но она не задерживается в этой области. Не остается ни одного из фатальных пороков «новой космологии» Большого Взрыва. Из-за того что в этом «нуле» нет никаких сил, а значит, и никакого ускорения, вновь создаваемая материя должна накапливаться здесь в виде разреженного газа, из которого зарождаются звезды — семена будущих галактик, которым суждено расти до тех пор, пока присущее им пространство не достигнет их собственного «нуля» Ньютона — Хаббла. Поэтому галактики и имеют статистически-одинаковые размеры во всей Вселенной — факт, которому прежде никто не мог дать объяснения.

Поверхность максимальной потенциальной энергии располагается по нормали к линии, соединяющей две ближайшие галактики; возможно, именно поэтому галактики и имеют тенденцию к уплощению. Поскольку в смежных галактиках новое вещество возникает между ними, должны появляться скопления галактик, что и обнаруживается в действительности.

В противоположность «нулю» Ньютона—Хаббла, любой центр масс — будь то планета, звезда или галактика — имеет минимум потенциальной энергии, где флуктуации вакуума встречают нулевой или по крайней мере минимальный энергетический барьер. В центре Земли ускорение силы тяжести равно нулю. Следовательно, материя должна появляться там, как и во всех других таких местах, в результате случайных квантовых флуктуаций. В 1928г. Джеймс Джинс писал в своих «Очерках по космогонии»: «Своего рода догадка, которая представляется довольно обоснованной, состоит в том, что центры туманностей обладают свойствами сингулярных точек, где материя вливается в нашу Вселенную из каких-то других и совершенно посторонних ей объемов пространства, и поэтому обитателю нашей Вселенной они кажутся точками, в которых материя непрерывно создается».

Эту точку зрения поддержал Уильям Макрей из Суссексского университета. Энергетический барьер непосредственно вблизи сингулярности возрастает сильнее, чем увеличивается концентрация массы, так что скорость возникновения массы не должна линейно зависеть от ее концентрации. Возможно, в этом и заключено объяснение моего эмпирического наблюдения, что раньше расширение Земли происходило очень медленно и резко ускорилось 100 млн. лет назад; эту скорость нельзя линейно экстраполировать на Солнце.

Таким образом, казалось бы противоречащие друг другу взгляды Джинса и Стотерса на то, где во Вселенную поступает новая материя, могут быть в равной мере правильными. Но есть и различие: материя, собирающаяся у «нуля» Ньютона—Хаббла, обладает большой потенциальной энергией для падения на ближайшую галактику, поэтому данная область близка к абсолютному вакууму; наоборот, вблизи любого центра масс материя появляется с минимумом потенциала, в результате чего в этой области всегда происходит возрастание концентрации масс.

Конечно, в таких сингулярностях материя и энергия могут не только входить в систему, но и покидать ее, поскольку квантовые флуктуации должны быть обратимыми. И здесь процесс не должен быть линейным. По мере возрастания концентрации масс сам этот факт, возможно, увеличивает скорость обратного процесса.

В какой форме новая материя появляется во Вселенной? Дирак сравнивал достоинства модели «множественного» творения, в которой существующие атомы порождают новые атомы, и «аддитивного» (последовательного) творения, когда вещество появляется вначале в более простой субатомной форме. Он принял предположение, что материя, порождаемая при множественном творении, «состоит из атомов такого же вида, что и уже существующие». Чаовень Чин и Стотерс опрашивали по этому поводу: «Почему хорошо сохранившиеся докембрийские и раннекембрийские окаменелости [захороненные более 500 млн. лет назад] остаются существенно не изменившимися по форме, если их массы увеличились на значительный процент?» Согласно нулевой модели, вероятность квантовых флуктуаций, порождающих новую материю, исчезающе мала во всех местах, кроме межгалактических «нулей» или центров концентрации масс, где ускорение силы тяжести близко к нулю. Следовательно, расширение происходит в центре Земли, а кембрийские окаменелости и другие породы литосферы им не затронуты, кроме как по периферии, где происходит деформация оболочки, изменяющейся в соответствии с ростом ядра.

Далее, предположение Дирака о том, что атомы кремния должны порождать кремний и что вообще атомы должны порождать себе подобных, в высшей степени неправдоподобно. Вероятная форма вещества, возникающего при квантовых флуктуациях, должна быть самой простой возможной формой: «инфракварки» или что-то в этом роде (кварки—простейшая форма субатомных частиц, открытых до настоящего времени). Тогда мы могли бы ожидать, что вначале образуется атомарный водород — простейший атом, к тому же самый распространенный во Вселенной. Однако даже самоочевидные факты (на которых и основаны все аксиомы) могут повести по неверному пути.

Все атомы построены из нуклонов (протонов и нейтронов) и электронов. В ядре атома водорода только один нуклон, у железа — 56 нуклонов, у урана — 238. Из всех элементов железо имеет наименьшую энергию на нуклон. Чтобы построить атомы железа, требуется наименьшая энергия связи в расчете на нейтрон и протон, чем для любых других атомов. Так не может ли первым появляться железо, а не водород? Конечно, «раскаленного» железа во Вселенной наблюдается менее 1%, и современная догма утверждает, что железо возникает только при медленном ядерном горении или при взрыве сверхновой. Но фактически, насколько мы знаем Вселенную, малые холодные тела, такие, как метеориты, астероиды и планеты, содержат значительно больший процент железа, и даже среди планет нашей Солнечной системы доля железа уменьшается, а доля водорода возрастает с увеличением размера планеты. Во многих работах последнего времени предполагается, что во Вселенной имеется по меньшей мере столько же невидимой массы, сколько ее содержат видимые звезды, в которых преобладает водород. Не может ли эта темная масса состоять из мелких тел, богатых железом?

А может быть, при росте планет земной группы энергия, выделяющаяся в результате увеличения давления в ядре, приводят к появлению все более легких элементов, поглощающих больше энергии «а нуклон, вплоть до стадии Юпитера, когда водород уже доминирует и планета -начинает излучать свет, как звезда? Все тела, которые мы видим во Вселенной, кажутся состоящими главным образом из водорода, но не было ли у них предшественников земного типа, в составе которых преобладало железо?

Минимальная энергия связи в атомах железа имеет отношение также к высвобождению ядерной энергии. Ядра урана и трансурановых элементов, обладающих самой высокой энергией связи на нуклон, при ядерном делении образуют пары ядер относительно легких элементов, более близких в периодической таблице к железу. Эти элементы обладают уже меньшей энергией связи на нуклон, чем уран, и именно за счет этого происходит выделение энергии. Подобным же образом атомы легких элементов — например, гелия и водорода, — также обладающих гораздо большей энергией на нуклон, чем железо, при синтезе, если он возможен, образуют элементы, более близкие к железу и с меньшей энергией на нуклон, и тогда также происходит высвобождение избыточной энергии. Как при делении тяжелых элементов, так и при термоядерном синтезе легких элементов единственный вид получаемой энергии — это энергия связи нуклонов в ядре, а ни в коем случае не энергия самих составляющих нуклонов. Ни деление, ни синтез не могут привести к выделению энергии из железа.

В этом отношении ядерная энергия аналогична разным формам химической энергии. Заряжая батарею аккумуляторов, мы добавляем электрическую энергию, которая повышает степень окисления окиси свинца. Забирая эту энергию обратно, мы возвращаем окись свинца к прежней степени окисления. Сжигая бензин (который давным-давно накопил солнечную энергию в электронных оболочках составляющих его атомов), мы получаем в выхлопных газах двуокись углерода и воду, которые имеют в электронных оболочках атомов меньше энергии, чем бензин, и разность этих энергий движет наш автомобиль. Мы можем создать запас упругой энергии, натянув тетиву лука, и высвободить эту энергию, пустив стрелу. В случае ядерной энергии запас энергии возникает вследствие особой конфигурации нуклонов и мезонов внутри атомного ядра, в случае химической энергии этот запас создается конфигурацией электронных оболочек между ядрами, в случае упругой энергии — расположением целых молекул относительно друг друга.

Процесс эволюции планет по Элтону

Сэм Элтон, геофизик из города Манхаттан-Бич (в южной Калифорнии, США), И.В.Кириллов и В.Б.Нейман из Москвы, В.Ф.Блинов из Киева, Бранислав Чирич из Белграда и позднее Якоб Эренспергер из Винтертура (Швейцария) независимо друг от друга высказали поразительное предположение, что не только все звезды, планеты и их спутники находятся в состоянии увеличения массы, но и Солнечная система на некоторой ранней стадии была похожа на современный Юпитер с его лунами, а также что современная Солнечная система — это зародыш будущей галактики.

В модели Элтона каждая галактика вырастает из некоторого подобия Солнечной системы, которая раньше выросла из эмбриональной звезды, развившейся из первичного газового облака, которое накопилось в процессе самопроизвольных квантовых флуктуаций у «нулей» Ньютона—Хаббла между галактиками. Если изложить ее в обратном порядке, эта концепция представляет собой в точности то же самое, что заключалось в моем заявлении в начале этой главы, что «возвращение хаббловской расширяющейся Вселенной к началу должно включать убывание массы, так что начальный зародыш имел не такую немыслимо большую массу, как предполагали Дирак, Фридман, Леметр, Эддингтон и Гамов, а наоборот, совершенно ничтожную и, возможно, даже вовсе не имел массы!» Такое развитие событий происходило всегда в прошлом и всегда будет происходить в будущем. Элтон подчеркнул, что нам надо оставить статические представления об определенном количестве .материи, импульсивно сотворенной в едином «начальном» акте, и принять вместо них представление о Вселенной как о непрерывном стационарном процессе.

В таком процессе не только звезды, но и галактики должны проходить все стадии эволюции: начиная с «нуля» Ньютона—Хаббла, собственного у каждой галактики, затем — стадию молодости с обилием газа и зарождающихся звезд, далее стадию зрелых спиралей и в конце концов стадию эллиптической галактики, состоящей из старых звезд с небольшим количеством остаточного газа. Хотя каждая галактика проходит свой полный жизненный цикл, общая картина устройства Вселенной должна оставаться такой же, какой мы могли бы видеть ее миллиард лет назад или миллиард лет спустя, — точно так же, как семья и в палеолите, и сегодня включает детей, родителей и дряхлых старцев. Поскольку большинство галактик должно начинать свое существование между двумя удаляющимися друг от друга галактиками, аккреция вещества будет происходить под их влиянием в виде двух противоположно направленных потоков, которые в результате притяжения к медленно вращающемуся центру постепенно приобретут спиральную форму. Могут появляться и более сложные структуры.

Возвращаясь к модели Элтона, заметим, что Юпитер определенно больше похож на слабо светящую звезду, чем на планету. Д-р Т.Р.Мак-Доно из Корнельского университета писал в 1974 г.: «Юпитер больше напоминает Солнце, чем Землю. Что касается его состава, генерации энергии, дифференциального вращения, эксцентричности внешнего поля и взаимодействия его плазмы с собственным магнитным полем — Юпитер проявляет истинно звездные свойства». Последующий пролет американского космического аппарата подтвердил вывод о том, что Юпитер находится в состоянии эмбриональной звезды.

В 1772г. прусский астроном Иоганн Даниэль Тициус изложил свое знаменитое эмпирическое правило для расстояний планет от Солнца, теперь известное как «правило (или закон) Тициуса—Боде» (И.Э.Боде — редактор берлинского «Астрономического ежегодника», опубликовавший открытие Тициуса и, очевидно, приписавший себе его заслугу.) Он имеет следующий вид:

В этой табличной записи каждой планете поставлено в соответствие начальное число 4 (строка А) и одно из чисел ряда, начинающегося с 0, затем 3 и далее числа, образующие геометрическую .прогрессию со знаменателем 2 (строка В); складывая числа первых двух строк, получаем строку С. Для сравнения в строке D показано действительное расстояние планет от Солнца, если принять это расстояние для Земли равным 10. Совпадение получилось достаточно хорошим, что позволило предсказать существование Урана и пояса астероидов до их открытия. Но все же совпадение не полное, так как по «правилу» в строке В для Меркурия должно стоять число 1,5, а не 0, Нептун и Плутон надо принимать за единое целое, что не так уж неразумно, поскольку их орбиты находятся в резонансе, подобно орбитам Земли и Луны. Но, как я указывал лет десять назад, это правило Тициуса—Боде приспособлено для расстояний относительно Земли, тогда как всё, кроме эгоизма землян, говорит об особом статусе Юпитера, а не Земли. Если взять в качестве исходного пункта Юпитер, то начальная строка, состоящая из четверок, будет не нужна, Меркурий подчинится общему правилу, а Нептун и Плутон будут меньше от него отклоняться:

Эта таблица может быть выражена формулой T_n=3J·2^n—1, где J — сидерический период обращения Юпитера (т. е. относительно звезд, в отличие от синодического периода — относительно Земли), а T_n — период обращения относительно Юпитера п-й планеты, расположенной дальше Юпитера; для планеты внутри орбиты Юпитера берется обратная формула. Для симметрии предсказана еще одна планета — дальше Плутона. Я назвал эту формулу «правилом Иове—Тициуса» [Jove — Юпитер. — Перев.]. В связи с моделью Элтона интересно отметить, что закономерность, подобная записанной выше для Солнечной системы, может быть сформулирована для Юпитера и его спутников, а также для Сатурна и для Урана. Каждая из этих систем представляет собой такую же загадку, как и Солнечная система, а именно: если Солнце, планеты и их спутники сконденсировались из газопылевого облака, как постулируется небулярной гипотезой, то главное тело системы должно нести большую часть общего момента количества движения, а не малую его долю, как наблюдается в действительности. Эта загадка исчезает, если масса центрального тела создалась в основном при спонтанном возникновении новой материи на месте, а не путем конденсации из вращающегося газового облака.

Если принять идею о вековом возрастании массы для всех этих тел, то Юпитеру, Сатурну и Урану суждено стать «солнечными системами». В самом деле, четверо физиков из Королевского университета в Кингстоне (пров. Онтарио, Канада) сообщили в журнале «Nature»: «Используя принятую в настоящее время величину постоянной Хаббла H≈100 км/с на мегапарсек, что равняется 1,65·10^-4 мм в год на милю, и подставляя значение радиуса Земли в уравнение Хаббла v=R/H, получаем скорость радиального расширения Земли 0,66 мм/год». Шведский физик Г.Б.Клепп, развивая эту тему, заметил (тоже в «Nature»), что применение того же закона Хаббла к орбите Луны дает расширение этой орбиты на 3,9 см в год.

Общее расширение планетных орбит и постепенное изменение светимости Солнца (о чем имеются косвенные данные) должны были проявиться в количестве солнечного тепла, поступавшего на земную поверхность в геологическом прошлом. Мы точно знаем, что моря существовали, дожди выпадали и реки текли уже тысячи миллионов лет назад, время от времени происходили оледенения; никакой систематической тенденции к изменению климата в геологичеоких разрезах не обнаружено. Два космолога из НАСА — Чаовень Чин и Ричард Стотерс — исследовали этот вопрос, приняв, что масса растет пропорционально ее концентрации, и сообщили в «Nature» о «весьма удивительном результате: они [эти солнечные модели] почти такие же, как и те, что основаны на стандартной теории! Это происходит, несмотря на несравнимые значения массы, обусловленные полным диапазоном выбора значений t₀. Причина сходства заключается в том, что влияние большего значения G в прошлом повышало светимость Солнца, в то время как меньшая звездная масса понижала ее». Продолжая исследование этих влияний на орбиты, авторы пришли к выводу, что расчетные температуры поверхности Земли не противоречат палеогеографическим данным.

Итак, обобщенный закон Ньютона — Хаббла управляет всеми движениями в мире, определяет объем, занимаемый одной галактикой, и гиперобъём всей Вселенной. Всемирный «нуль» восстанавливает представление о стационарной Вселенной как о вечном выражении нулевого состояния, позволяя в то же время избежать роковой для прежних стационарных моделей загадки непрерывного возникновения материн из ничего. С бесконечно далеких прошлых времен материя и энергия в виде взаимоуничтожающихся противоположностей появлялись при случайных флуктуациях вакуума на субъядерном уровне вблизи квазинулевых энергетических барьеров, продолжали расти и конденсировались в звезды и расширявшиеся галактики, разлетавшиеся в разные стороны. Масса, энергия и радиус познаваемой Вселенной всегда были теми же, что и сейчас, и ограничивались скоростью разбегания, приближающейся к скорости света, и скоростью распространения поля гравитационной потенциальной энергии. Все законы природы и Совершенный Космологический Принцип остаются универсально-справедливыми во всем бесконечном космосе без каких-либо особых моментов времени, особых мест, без начала и без конца — в поистине стационарном состоянии.

  Оглавление