Дальнейшая судьба Вселенной.

Вопрос о дальнейшей судьбе Вселенной — несо­мненно, важная часть полной единой теории. Теория Фридмана — просто одна из ее составляющих; единая теория обязана идти дальше. Из теории Фридмана следует только, что Вселенная, в зависимости от сред­ней плотности вещества, будет либо расширяться веч­но, либо прекратит расширение и начнет сжиматься. Теория не говорит, как именно это будет происходить. Конечно, у нас есть кое-какие догадки, которые ка­жутся справедливыми, но, по правде говоря, это лишь предположения.

Итак, начнем с рассмотрения альтернатив, предла­гаемых теорией Фридмана. Чтобы их легче было по­нять, прибегнем к аналогии. Предположим, что вверх подбрасывают шарик; его движение будет постепенно замедляться, затем он остановится и начнет падать вниз. Высота его подъема зависит от начальной скоро­сти, а также от силы тяжести. Если бросить его с до­статочно большой скоростью, то он, в принципе, может никогда не упасть на землю. Эта скорость называется скоростью убегания.

Примерно так же обстоит дело и с Вселенной. Около 18 миллиардов лет назад произошел Большой взрыв, в результате которого возникла Вселенная. Осколки разлетелись в разные стороны с неимоверной скоростью и по-прежнему летят в виде галактик. В этом случае нет какого-то объекта типа Земли, ко­торая притягивала к себе шарик, но есть гравитацион­ное взаимодействие всех галактик. Это притяжение замедляет расширение Вселенной, в результате чего замедляется и разбегание галактик. Наиболее удален­ные по расстоянию, а значит, и по времени, замедля­ются больше всего.

Естественно, возникает вопрос: хватит ли этого за­медления, чтобы разбегание галактик остановилось полностью? Иными словами, достаточно ли взаимно­го гравитационного при­тяжения для преодоления расширения? Легко видеть, что это зависит от напря­женности гравитационного поля, которая, в свою оче­редь, зависит от средней плотности вещества во Все­ленной (количества вещества в единице объема). Иначе этот вопрос можно сформулировать так: доста­точно ли велика средняя плотность вещества во Все­ленной, чтобы остановить ее расширение? Пока дать определенный ответ невозможно, но, как мы видели раньше, похоже, что средняя плотность близка к так называемой критической.

Открыта или замкнута Вселенная зависит от того, насколько ее плотность отличается от критической, равной примерно 0,5 • 10(-30) г/см³. Если плотность больше этого значения, то Вселенная замкнута и в конце концов сожмется в точку; если же меньше, то она открыта и будет расширяться вечно. Может по­казаться, что решить вопрос о замкнутости или от­крытости Вселенной совсем нетрудно, для этого нуж­но лишь измерить среднюю плотность и сравнить ее с критической. К сожалению, здесь возникают труд­ности, и весьма серьезные. Можно довольно точно оценить плотность видимого вещества, но она очень далека от критической — для того, чтобы Вселенная была замкнутой, видимого вещества должно быть раз в 100 больше.

Известно, однако, что есть довольно много «неви­димой материи» — небольших слабых звезд, пыли, об­ломков камней, черных дыр и излучения. Обеспе­чивает ли она замкнутость Вселенной? На первый взгляд кажется, что нет, и такой вывод подтверждали исследования, проведенные в 70-х годах Готтом, Гун­ном, Шраммом и Тинсли. Однако после 1980 года был сделан ряд важных открытий, которые заставили пересмотреть отношение к этой проблеме.

Скрытая масса.

Дополнительная масса, требующаяся для того, что­бы Вселенная была замкнутой, называется скрытой массой. Это не очень удачное название, поскольку вполне может оказаться, что ее вообще нет. Однако имеются серьезные свидетельства того, что она суще­ствует, но в странном, непривычном виде. Давно изве­стно, что в галактиках есть много невидимого вещест­ва, часть его относится к отдельным галактикам, а часть — к их скоплениям.

Рассмотрим эти случаи по очереди и начнем с от­дельных галактик. Определить полную массу галак­тики довольно легко. Для этого вовсе не нужно рас­считывать средние массы звезд, а затем суммировать их по всему пространству; это слишком трудно, а то и невозможно. Применяется другой метод, и чтобы понять его, рассмотрим вначале Солнечную систему. Известно, что планеты движутся вокруг Солнца по орбитам, параметры которых подчиняются трем зако­нам, открытым Иоганном Кеплером несколько веков назад. Один из этих законов позволяет определить скорость планеты, если известна масса всего веще­ства, заключенного в пределы ее орбиты (в случае Солнечной системы почти вся масса сосредоточена в Солнце). Закон, естественно, работает и в другую сто­рону — зная скорость планеты, можно определить пол­ную массу объектов, находящихся внутри ее орбиты. Такой подход полностью применим и к галакти­кам. Наше Солнце, например, находится на расстоя­нии примерно 3/5 от центра Галактики. Измерив его орбитальную скорость, можно узнать массу всех звезд, расположенных между нами и центром Галактики. Расчет, конечно, не позволит вычислить полную мас­су Галактики, для этого потребуется какая-нибудь звезда на ее периферии.

На самом деле для этого даже не нужна звезда, го­дится любой объект. Астрономы несколько лет назад измерили скорость внешних облаков водорода в со­седних с нами спиралях галактик и обнаружили, что они движутся гораздо быстрее, чем должны были бы согласно принятой оценке массы галактики. Изучив эту проблему глубже, они пришли к выводу, что на окраинах этих галактик должно быть значительное количество вещества в форме гало. К удивлению уче­ных выяснилось, что масса таких гало превышает мас­су звезд.

Из чего же они состоят? Ясно, что не из звезд, ина­че они были бы видны. Возможно, это очень слабые звезды или обломки, пыль, газ. Если гало есть у всех галактик, то, конечно, масса их значительно возрастет, а следовательно, увеличится и масса всей Вселенной. Но окажется ли этого достаточно, чтобы «замкнуть» Вселенную? Вычисления показали, что нет, но исто­рия на этом не кончается.

Большинство галактик во Вселенной образуют скопления; иногда в скопления входят только две-три галактики, но обычно гораздо больше. В наше скоп­ление, например, их входит около 30. Научившись определять массу отдельных галактик, астрономы об­ратились к их скоплениям. Просуммировав массы от­дельных галактик, они обнаружили, что их недоста­точно для того, чтобы силы притяжения удерживали скопление вместе как единое целое. Тем не менее они явно не собирались распадаться — ничто не указыва­ло на разлет отдельных галактик. Некоторым скопле­ниям не хватало сотен собственных масс, чтобы удер­жать их вместе силами гравитационного притяжения. Даже добавление дополнительной массы, заключен­ной в гало, не спасало положения. Учитывая это, легко понять, почему ученые говорят о скрытой массе.

Если она действительно существует, то в какой форме? Очевидно, в такой, которую нелегко обнару­жить. Это может быть, например, газообразный водо­род — либо нейтральный атомарный, либо ионизован­ный (т. е. получивший заряд в результате потери электронов). Однако при ближайшем рассмотрении оказывается, что нейтральный водород на эту роль не подходит. Он излучает на волне 21 см и соответству­ющие наблюдения показали, что как между ближни­ми, так и между дальними галактиками водорода со­всем немного.

Одно время считалось, что подойдет ионизованный водород, поскольку фоновое рентгеновское излучение во Вселенной связывалось именно с ним. Однако позже выяснилось, что это излучение скорее всего вызыва­ется квазарами. Тогда пришла очередь нейтронных звезд, белых карликов и черных дыр, но и они в конце концов отпали. Черные дыры должны были бы быть сверхмассивными (иметь массу порядка галактичес­кой) или же встречаться очень часто, что маловероят­но. Исследования показали, что хотя в центре многих, если не всех, галактик могут быть массивные черные дыры, нет свидетельств существования таких изоли­рованных дыр в скоплениях, иначе была бы вероят­ность заметить их и в нашей Галактике.

В качестве возможных кандидатов рассматрива­лись и фотоны, ведь энергия есть одна из форм суще­ствования материи. Однако и в этом случае расчеты показали, что их вклад явно недостаточен.

Создавалось впечатление, что во Вселенной просто недостаточно материи и потому она незамкнута. Тем не менее некоторые ученые были убеждены, что в кон­це концов недостающая масса найдется. И вот насту­пила кульминация... В предыдущей главе говорилось, что весь дейтерий во Вселенной образовался через не­сколько минут после Большого взрыва. Хотя основ­ная его часть быстро превратилась в гелий, некоторое количество все же осталось, и если его измерить, то можно ответить на вопрос, замкнута ли Вселенная. Чтобы понять почему, посмотрим, что происходило в то время. Известно, что при соударении ядер дейте­рия образуется гелий. Если плотность Вселенной бы­ла высока, то соударений было много и образовалось значительное количество гелия; если же плотность бы­ла низка, то осталось много дейтерия. Поскольку ко­личество дейтерия во Вселенной со временем измени­лось незначительно, измерение его должно показать, замкнута ли Вселенная. Такие измерения, конечно же, были проделаны, и вот их результат — Вселенная не замкнута. В 70-е годы такой результат казался вполне убедительным, а когда аналогичные оценки были про­деланы для гелия и совпали с данными по дейтерию, вопрос, казалось, был решен окончательно — Вселен­ная открыта.

Однако через несколько лет ученые нашли изъян в этой аргументации. Из нее следовало лишь то, что Вселенная не может оказаться замкнутой частицами, называемыми барионами. К барионам относятся и протоны и нейтроны, из которых состоит большинст­во известных нам объектов — звезды, космическая пыль, водород и даже образовавшиеся в результате коллапса звезд черные дыры. Может возникнуть во­прос: а есть ли что-нибудь кроме барионов? Да, это лептоны и так называемые экзотические частицы. Лептоны чересчур легки, чтобы заметно увеличить массу, а вот экзотические частицы в последнее время привлекают к себе большое внимание. Первыми в по­ле зрения попали нейтрино, и в течение какого-то вре­мени астрономы были убеждены, что эта частица по­может «замкнуть» Вселенную. Нейтрино почти так же распространены, как фотоны, примерно миллиард на каждый атом вещества; долгое время считалось, что их масса покоя равна нулю. Конечно, массой они все-таки обладают, ведь любая форма энергии имеет массу, но ее явно не хватит, чтобы остановить расши­рение Вселенной.

Но вот в конце 70-х годов было высказано предпо­ложение, что нейтрино имеют массу покоя. Как бы мала она ни была, из теорий следовало, что в целом она может внести существенный вклад в массу Вселенной. Эксперимент по проверке этого предположе­ния был выполнен группой ученых, в которую входи­ли Ф. Рейнес, X. Собел и Э. Пасиерб. Они не измеряли массу непосредственно, а выбрали другой путь. Ранее было обнаружено, что фактически существует три ти­па нейтрино — один, связанный с электроном, дру­гой — с более тяжелой, хотя и подобной электрону ча­стицей, называемый мюоном, а третий — с еще более тяжелой частицей, «тау», обнаруженной в 1977 году. Согласно теории, все три разновидности нейтрино могут превращаться друг в друга. Иными словами, они могут менять тип, но только в том случае, если их масса больше нуля. Рейнес, Собел и Пасиерб провели соответствующий эксперимент и пришли к выводу, что им удалось зарегистрировать переход от одного типа нейтрино к другому.

Однако другие ученые, попытавшиеся повторить эксперимент, не смогли подтвердить этот результат. Стало уже казаться, что Рейнес с коллегами допусти­ли ошибку, но тут пришло известие о том, что группе советских ученых удалось измерить массу нейтрино непосредственно. Но и здесь не все так просто. Мно­гие пробовали проверить полученный в СССР ре­зультат, но пока безуспешно. Вопрос о массе покоя нейтрино до сих пор остается открытым.

Конечно, даже если у нейтрино не окажется массы покоя, есть другие экзотические частицы, и некоторые из них заслуживают пристального внимания. Так, предполагается, что гравитационное поле переносит­ся гипотетическими частицами — гравитонами. Пока они не обнаружены, но некоторые ученые убеждены в их существовании. Из теории супергравитации сле­дует, что гравитону должно сопутствовать гравитино; более того, из нее вытекает, что партнеры должны быть у всех частиц: у фотона — фотино, а у W — вино. Все такие частицы-партнеры имеют общее название «ино». Некоторые ученые полагают, что благодаря своей массе они могут внести существенный вклад в среднюю плотность вещества во Вселенной. Но ес­ли даже эти частицы не подойдут для уготованной им роли (или вообще не будут найдены), то есть еще один кандидат, который пока, правда, существует только на бумаге. Его называют аксионом, и он силь­но отличается от «ино», в частности он гораздо легче. Пока все эти частицы — лишь плод воображения уче­ных, но все же они привлекают серьезное внимание. Другая частица, о которой в последнее время много разговоров, — магнитный монополь. Это очень мас­сивная частица с одним магнитным полюсом. Каж­дый, кто знает, что такое магнит, скажет, что это не­возможно. Известно, что при разрезании полосового магнита на две части получаются два магнита, каждый из которых имеет северный и южный полюсы. Разре­зая такой магнит, мы будем получать тот же резуль­тат, сколько бы раз мы это не повторяли. Получить, та­ким образом, изолированный северный или южный магнитный полюс нельзя. Но еще в 30-е годы Дирак предсказал, что такая частица должна существовать. Многие экспериментаторы бросились проверять его теорию, но поиски монополей ни к чему не привели, и постепенно интерес к ним угас. Но вот в 1974 году сотрудник Государственного университета Утрехта в Нидерландах Дж. Хофт и независимо от него совет­ский ученый А. Поляков показали, что существование монополей следует из некоторых единых теорий поля. Это возродило интерес к монополям, и многие возобновили их поиск. Среди них был сотрудник Стан-фордского университета Блас Кабрера, который, про­ведя детальные расчеты, пришел к выводу, что можно регистрировать примерно по одному монополю в год. Он построил установку и стал ждать. Наконец его терпение было вознаграждено: 14 февраля 1982 года установка зарегистрировала первый монополь. Сооб­щение взбудоражило научный мир, хотя и было встречено с изрядным скептицизмом, а так как второй монополь обнаружить не удалось, скептицизма не убавлялось. Более того, другие попытки обнаружить монополи результатов не дали.

Заслуживает упоминания еще один, последний кандидат. Это особые другие черные дыры, так называемые реликтовые. Неплохими кан­дидатами считаются все черные дыры, которые обра­зовались раньше дейтерия. Правда, они должны быть относительно невелики, но все-таки на их массу мож­но рассчитывать. Ограничения накладывает также и испарение Хокинга; он показал, что все черные ды­ры, масса которых в момент образования была мень­ше 10(15) г, к настоящему времени уже должны были испариться. Отсюда следует, что внимания заслужи­вают только те из них, масса которых составляет от 10(15) до 10(32) г. Поскольку примерно таков диапа­зон масс планет, их называют планетарными черными дырами.

Если учесть вклад всех перечисленных выше видов масс, то может показаться, что суммарной массы вполне достаточно для обеспечения замкнутости Все­ленной. Однако сотрудник Чикагского университета Дэвид Шрамм с этим не согласен; из расчетов его группы следует, что средняя плотность вещества очень близка к пограничной — той, которая лежит на границе между замкнутой и открытой Вселенной.