@
БИБЛОТЧКА -КВАНТ-
ВЫПУСК 68
и.д. НОВИКОВ
КАК
ВЗОРВАЛАСЬ
ВСЕЛЕННАЯ


МОСНВА «НАУI\А»
rЛАВНАЯ РЕДАl\ЦИЯ
ФИ3Иl\ОМА ТЕМА ТИЧЕСl\Ой ЛИТЕР А ТУРЫ
1988

ББR 22.68
1I73
"УДК 524.85 (023) 
р Е Д А Н Ц И О Н 1! А fI Н О Л Л Е r и Я:
Академик Ю. А. ОСIIПЬЯ:Н (председатель), акадеМИR
I А. 11:. КОЛl\lоrоров I (заместитель председателя), кандидат физ...
мат. наук А. И. Буздин (ученый секретарь), академии А. А. Абри..
I{OCOB, аRадеМИI{ А. с. БОрОВИКРОl\'Iанов, аRадемик Б. К. Вайн"
штейн, заслуженный учитель РСФСР Б. В. Воздвиженский, ака...
деМИI{ В. л. rинзбурr, аI{аде1tIИК 10. В. rУJIяев, анадемик А. п. Ер..
шов, профессор с. п. Капица, академии А. Б. Миrдал, а.кадеМИR
с. п. Новиков, акадеМИI{ АПН СССР В. r. РаЗjТ:МОВСКИЙ, анаде:МИR
Р. 3. Саrдеев, профессор я. А. Сl\IОрОДИНСI\ИЙ, аIадем:ик с. л. Со..
болев, членкорреспондент АН СССР д. К. Фаддеев
Рецензент
доктор фИЗИRо:мате:матических паун А. д. Лuнде
НОВИКОВ и. д.
Н73 Как ВЗ0рвалась ВселеННая......... l\tl.: Науна. rл. ред.
физ.мат. ЛИТ., 1988......... 176 c. (Бчна «Квант».
Вып. 68.)
ISBN 5020138819
Наблюдения далеких rалаКТИR показывают, что они уда...
ляются друr от друrа и в том числе от нашей rалаКТИRИ 
наблюдаемая Вселенная расширяется. В далеком прошлом
не было отдельных l'алактик, отдельных небесных тел, все
вещество Вселенной было очень плотным и rорячии. Рас...
ширение Вселенной ЯВJlяется следствием rиrантскоrо вэры",
ва, произошедшеl'О около пятнадцати миллиардов лет назад.
Взрыв этот был весьма необычен и обусловлен квантовыми
эффектами в сверхплотной материи Вселенной. В книrе pac
сказывается о том, как современная наука решает эту
величаЙШУIО заrадку природы.
Для школьников старших классов, студентов, всех чтж
тателей, интересующихся современной .космолоrией  нау...
ной о Вселенной.
1705070000096
В 053(02)88 18188
ББК 22.68
ISBN . 5020138819
iC' Издательство <<l-IаУRа».
 rлавная редаRЦИff
физиноматематичеСRОЙ
литературы, 1988

СОДЕРЖАНIIЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ 4
ВВЕДЕНИЕ 7
1. Нак строят модели Вселенной 12
2. "Уравнение, управляющее динаМИRОЙ Вселенной 19
3. l\10ДЛЬ Эйнштейна 19
4. Пустая Вселенная 23
5. Предсказание Фридмана 24
6. Открытие взрывающейся Вселенной 28
7. Две возможности 34
8. «Одна только видимость» 35
9. Скрытая масса 39
1Н. Кривой мир 40
11. Возраст Вселнной 46
12. Динамииа начала расширения модели Фридмана 48
13. Отсвет БОЛЬПIоrо взрыва 52
14. В одной секунде от тайны 57
15. Микрокосм ос 62
16. Переносчики 65
17. Пустота 69
18. Первый шаr к единству сил природы 71
19. Цветная сила 76
20. Великое объединение 79
21. Распад вещества Вселенной 82
22. l\1ечта Эйнштейна 87
23. Диковинки вакуума 93
24. Возвращение к началу; почему во Вселенной есть
вещество? 100
25. Еще заrадки 105
26. ПеРВОТОЛЧОI{ 110
27. Раздувание 116
28. Ключ 121
29. Что было «до TOrO»? 123
30. Вселенная как тепловая машина 133
31. Более чем странная Вселенная 140
32. Вечно юная Вселенная 151
33. Создание Вселенной в лаборатории 158
34. Конец Большоrо взрыва 161
ПРИЛОЖЕНИЕ 100

ПРЕДИСЛОВИЕ
в человеческой истории стремление «счесть зве:-зды»,
иначе rоворя, построить мартину мира, ниноrда не ДQ
вало людям покоя, и, нак бы ничтожна ни была CYM'\lC1
людских знаний, всеrда находились среди мыслящеrо
человечества... мудрецы, пытающиеся на основании Ha
учных данных воссоздать картину мира.
А. Фрuд.мди
Читатель, конечно же, знает, что мы живем
в расmИРЯIощейся Вселенной. Установление этоrо удиви:
тельноrо факта нвилось одним из основных достижений F
науки ХХ века. «Но неужели Вселенная ВЗ0рвалась?
спросит читатель, и если да, то как и поче:му это про
ИЗОIП.,1JО?» К ответам на эти вопросы подошла COBpeMeH
вал носмолоrия  наука о Вселенной. Да, Вселенная
ВЗ0рвалась, хотя этот «Большой взрыв» :и был совсем He
обычным.
Идея нестационарности Вселенной вызывала в Heдa
леком прошлом и насмешки, и нападни. Это не удиви
тельно. Каждое новое завоевание науки проходит такой
период. Однако в данном случае вопрос касался приро
ДЫ Bcero OKPYj-каlощеrо мира, затраrивал вопросы миро
воззрения. Острота противоречия заключалась еще в TOl\{,
что идея неизменной rармонии мира казалась на протя
жении тысячелетий незыблемой и в науке (несмотря на
смену одних учений друrими), и в искусстве, отражав
тем эмоции и впечатления людей. «Небеса длятся, от
вечности к вечности»  это изречение, пожалуй, точно
отражает осознанное или подсознательное ощущение Ma
териалиста прошедших историчесних эпох, коrда он за
думывался об окружающем мире. Изучение систем Be
бесных тел со строrим ДJЗижением по определенным ор'"
битам только укрепляло такое убеждение. Мы живем в
одной из подобных систем  Солнечной систе,ме, ЯВЛЯIО...
щейся обраЗЦОl\I стабильности. Недаром небесная меха..
вина законно rордится предсказанием положений планет
на тысячелетия вперед со скрупулезной точностью. Мир
4

fi цеЛОI представлялся I\аRИМТС подобием очень слож
ных идеальных часов с веЧНЫI RpyroBopoTOM бесчислен...
ных RолеСИRОВ. Идеи вознинновения и развития в aCTpo
номии дО ХХ вена были ли,бо слишном робки и не под
rотовлены, либо попросту наивны. l Нестационарность
Вселенной теоретичесни предсназал советсний MaTeMa
тин А. А. Фридман в 19221924 rr., отнрыл расширение
Вселенной америнансний астрофизин э. Хаббл в 1929 r.
Картина неизменной Вселенной рухнула. «Идея была Be
личественная, но создавала HaHoeTO ощущение пеудобст",
Ba», пишет об отнрытии расширения Вселенной HaHaд
ски:й писательюморист и ученыйэнономист С. Линок.
К нашему времени сомнения о расширении Вселен...
ной давно отпали. "У'ченые старшеrо поноления привынли
к этому «несуразному» па первый взrляд фанту. Новые
поноления, живущие в бурное время самых удивитель
ных отнрытий второй половины ХХ веда, и вовсе не ви
дят в нестационарности Вселенной чеrото неприемлемо
ro для здравоrо смысла.
О расширяющеЙся Вселенной написано MHoro попу
, лярных нниr (в том числе и нниr автора). Писать еще
раз тольно об этом вряд ли стоило бы.
Однано в последние rоды нос:молоrия подошла R pe
шению rрандиозных вопросов, еще недавно бывших co
вершенно недоступными для серьезноrо исследования.
@очему Вселенная начала расширяться? Кановы были
тоrда свойства пространства и времени? Каними процес
сами в момент начала расширения объясняются самые
общие (и, кан мы увидим, весьма удивительные) свойства
Вселенной? Почему во Вселенной есть ещество? Суще
ствуют ли друrие Вселенные? И, нанонец, почему Bce
ленная именно такая, накой мы ее наблюдаем, а не об
ладает иными свойствами? Чем занончится наблюдаемый
нами Большой взрыв? Этот списон можно продолжить.
Далеко не все перечисленные вопросы решены до
конца. Большинство из них  поле самоц антивной pa
()оты специалистов. Цель данной книrи  доступно, на...
5

СRОЛЬRО это возм:ожно, раосказать о том, что Yil\e сдела
но, что и нак делается. Разумеется, при этом необходимо
касаться и некоторых вопросов самой теории расширяю...
щейся ВселенноЙ, более или менее подробно описанных
ранее. Без этоrо было бы непонятно MHoroe из Toro,
о чем rоворится  этой книrе. Основная задача предлаrа
емой Rниrи  провести читателя к перВЬJМ мrновениям
удивительноrо мира, ноторый мы наблюдаем сеrодня.
Книrа рассчитана на ШКОЛЬНИI-\ОВ старших классов,
студентов, всех интересующихся соврем:енными достиже
виями одноrо из наиболее интриrующих разделов наУRИ.
"у читателя не предполаrается НИRаRИХ специальных зна
пий, кроме знания обычных ШI-\ОЛЬНЫХ проrрамм по фи
вике, астрономии и iатемаТИI\е.

ВВЕДЕНIIЕ
Стремление представить структуру Bcero OK
ружаIОJцеrо мира всеrда являлось одной из насущных
потребностей развивающеrося человечества. Как усроеп
мир? Поче1tiУ существует? Отнуда взялся?  это примеры
вечных вопросов. Их задавали себе люди и тоrда, коrда
настоящей науни еще не было, и потом, коrда зарождаю
щееся и набираЮlцее силу знание начало свое бесконеч
ное движение в отыскании истины.
<Ца каждом историческом этапе у людей были различ
ные rосподствующие представления о Вселенной. Эти
представления отражали тот уровень знаний и опыт изу
чения природы, который достиrалсн на соответствующем
этапе развития обществу По мере Toro KK расширились
пространственные (и BpeMeHHыI)) масштабы познанной
человеком части Вселенной, менялись и космолоrические
представления. Первой космолоrическо:Й моделью, имею
щей математическое обоснование, можно считать rеоцен
трическую систему мира К. Птолемея (11 век н. э.).
В системе П толемея в центре ВселенноЙ была неподвиж
нан шарообразная Земля, а BOKp'yr нее обращалась Лу
на, Солнце, планеть!) движимые сложной системой OK
ружностей,«ЭПИЦИКЛОВ» и «диФФерентов», и, наконец,
все это было заключено в сферу неподвижных. звезд.
Подчеркнем, что система претендовала на описание Bcero
материальноrо мира, т. е. была Иlенно космолоrической
Системой. Как бы наивно с нашей сеrодняшней точки
зрения ни выrлядел этот «весь мир», необходимо OTMe
тить, что в ней было рациональное зерно  коечто эта
\
систе1а описывала в основном правильно. 'Конечно, пра...
вильное описание касалось не Bcero мира, всей Вселен...
ной, а только лишь 1\1аленькой ero части. Что же в этой
системе было правильныI\-I?? I Правильным было представ...
ление о нашей планете .как о шарообразном теле, свобо
по висящем в пространстве; правильным было то, что
Луна обращается BOKpyr Земли. Все остальное, как BЫ
7

яснилось, не соответствовало действительности.\ I--Iауиа
тоrда была еще в таком состоянии, что,- за иснл1Очением
ОТДельных rениальных доrадок, не моrла выйти за раМRИ
системы Земля  Луна. Система мира Птолемея rоспод
ствовала в нау:ке оноло 1,5 тысячи лет. Затем ее с:менила
rелиоцентричес:кая система мира Н. Копернина
(ХУI век н. э.).
Рнволюция, произведенная в науке учением Коперни
на, связана в первую очередь с тем, что наша Земля
была признана рядовой планетой. Исчезло всяное'проти
вопоста:вление «земноrо» и «небесноrо». Система Rопер
вика также считалась системой «Bcero мира». В центре
мира было Солнце, BO}{pyr HOToporo обращались планеты.
Вс,е это охватывала сфера неподвижных звезд.
Как мы знаем теперь, в действительности система
Rопернина была вовсе не «системой мира», а схемой
строения Солнечной системы, и в этом смысле была пра
вильной.
В дальней'шем необычное расширение масштабов ис
следованноrо мира блаrодаря изобретению и совершенст
вованию телеснопов привело н представлению о звезд
вой Вселенной. Наконец, \ в начале ХХ вена вознинло
представление о ВселенноЙ как о мире rалантик (MeTara
лактики) . При рассмотрении этой историчесной цепочни
смен космолоrичесних представлений ясно прослежива
ется следующий фант. Каждая «система мира» по cy
ществу была моделью наибольшей достаточно хорошо
изученной к тому времени системы небесных тел.; Тан,
П \ ·
модель толемея правильно отражала строение системы
Земля  Луна, система Коперника была l\tlоделью Сол
вечной системы, идеи модели а-вездноrо мира В. repme
ля и др. отражали неноторые черты строения нашей
звездной системы  rалантики. Но наждая И8 этих MO
делей претендовала в свое время на описание строения
, «всей' Вселенной». Эта же тенденция a новом уровне
прослеживается, нак мы увидим, и в ,развитии COBpeMeH
ной космолоrии в ХХ вене.
!Как тут не вспомнить слова замечательноrо польско
ro (ризина I\1ариана СМОЛУХОВСRоrо: (С..поучительно сле
дить за изl\tIенчивыми судьбами научных теорий. Они' бо
лее интересны, чем изменчивые судьбы людей, ибо каж
дая из нйх включает чтото бессмертное, хотя бы части-
... I
цу вечнои истины»:J  .
Рассмотрим очень нратко, нание этапы прошло равви",
тие науни о Вселенной уже в нашем столетии. LOBpe...
8

меннал космолоrил ВО3ВИRла в начале ХХ века после
создания А. Эйнштейном релятивистсной теории тяrоте
ния (общей теории относительности  ОТО).
Первая релятивистсная космолоrическая модель, oc
нованная на новой теории тяrотения и претендующая на
описание всей Вселенной, была построена А. Эйнштей
:ном в 1917 r. Однано она описывала статичесную Bce
ленную и, как поназали астрофизические наблюдения,
ОRазалась неверной.
В 19221924 rr. советским матеl\Iатином А. А. Фрид
маном были получены общие решения уравнений Эйн
штейна, примененных к описанию всей Вселенной. OKa
залось, что в общем виде эти решения описывают Bce
ленную, меняющуюся с течением времени. Звездные сис
темы, заполняющие пространство, не MorYT находиться
в среднем на неизменных расстояниях друr от друrа.
Они должны либо удаляться, либо сближаться. Мы уви
дим далее, что это является неизбежным следст'вием Ha
личия сил тяrотения, ноторые rлавенствуют в носмиче
ских масштабах. Вывод Фридмана означал, что Вселен
ная должна  либо расширяться, либо сжиматьсяj Кан уже
было сказано в Предисловии, вывод этот означал KopeH
пую переСТРОЙRУ наших самых общих представлений о
Вселенной и далено не сразу был понят и принят даже
наиболее передовы:ми умами человечества.lВ 1929 r. aMe
ринанский астроном э. Хаббл с помощью астрофизиче
ских наблюдений открыл расширение окружающеrо нас
мира rалантик, отнрыл расширение Вселенной, подтвер
ждающее правильностъ выводов А. А. Фридмана. Модели
Фридмана являются основой Bcero последующеrо разви
тия космолоrии-. Как мы увидим далее, эти модели опи
сывали механическую картину. движения оrромных масс
Вселенной и ее rлобальную СТРУНТУРУ. Если прежние
носмолоrичесние построения призваны были описывать
rлавным образом именно наблюдаемую теперь струн туру
Вселенной с неизменным _ в среднем движением миров в
вей, то модели Фридмана по своей сути были эволюци
онными, связывали 'сеrодняшнее состояние Вселенной
с ее предыдущей историей.L!3 частности, из этой теории
следовало, что в далеком прошлом Вселенная была СОВ--
сем не похожа на наблюдаемую нами сеrодня. Тоrда не
было ни отдельных небесных тел, ни их систем, все Be
,щество было почти однородным, очен"ь плотным и быстро
расmирялось. Только значительно позже из этоrо веще..
ства возникли rалактини и их скопления. Начиная с нон..
9

ца 40x rодов namero века все большее внимание в кос. '
молоrии привлекает физика процессов на разных этапах
космолоrичеСRоrо расширения.
В это время r. rамовым была выдвинута так назы..
ваемая теория rорячей Вселенной. В этой теории pac
сматривались ядерные реакции, протекавшие в самом на...
чале расширения Вселенной в очень плотном веществе.
При этом предполаrалось, чт,О температура вещества бы
ла велика (отсюда и название теории) и падала с рас..
ширением. Хотя в" первых вариантах теории и были еще
существенные недостатки (впоследствии они были устра...
нены), она сделала два важных предсказания, которые
моrли ,быть проверены наблюдениями. Теория предска..
зывала, что вещество, из KOToporo ФОР}lировались первые
звезды и rалактики, должно состоять rлавным образом
:из водорода (примерно на 750/0) и rелия ( около 25 О/О ) ,
приме,сь друrих химических элементов незначительна.
Друrой вывод теории состоял в том, что в сеrодняmней
Вселенной должно существовать слабое элентромаrнит",
ное излучение, оставшееся от эпохи большой плотности
и температуры вещества. Это излучение, остывшее в хо...
де расширения Вселенной, было названо советским аст",
рофизиком И. С. Шкловским реликтовым излучением.
Оба предсказания теории блестяще подтвердились.
R этому же времени (конец 40..х rодов) относится
появление принципиально новых наблюдательных воз
можностей в космолоrии. Возникла радиоаСТРОНОIИЯ,
а затем после начала космической эры развилась peHTre...
новская, rаммаастрономия и др. Новые возможности по...
явились И У оптической астрономии. Сейчас разными ме..
тодами Вселенная исследуется вплоть до расстояний в
несколько миллиардов парсеков. Напомним, что парсеR
,'(пк)  единица расстояния, используемая астрономами
,И равная примерно трем световым rодам или 3 · 1018 C?-I.
, В 1965 r. американские физики А. Пензиас и Р. Вил..
сов открыли реликтовое излучение, за что в 1978 r. они
были удостоены Нобелевской премии. Это открытие до...
казало справедливость теории rорячей Вселенной.
Современный этап в развитии космолоrии характери...
зуется интенсивным исследованием проблемы начала
к<эсмолоrическоrо расширения, коrда плотности м:атерии
и энерrии частиц были оrромными. Руководящими идея...
ми здесь яlвляются новые теоретические открытия в фи...
зике взаимодействия элементарных частиц при очень
больших энерrиях. Друrой важной проблемой космолоrии
10

является проблеlа вознйkйо13НИЯ струн туры Вселен
. .
ной  сноплениЙ rалантиJS-, самих rалантин и т. д. ид
первоначально почти однороноrо раСШИРЯЮlцеrося Be
щества.
Соврем'енная носмолоrия построена трудами мноrих
ученых Bcero мира. Мы отметим здесь важную роль Ha
учных школ, созданных в нашей стране анадеминами
В. л. rинзбурrом, Я. Б. Зельдовичем, Е. М. Лившицем,
М. А. lVlарковым, И. М. Халатниновым.
Следует подчерннуть определяющую роль астрофизи
чесних наблюдениЙ в развитии современной носмолоrии,}
Ее выводы и заключения проверяются прямыми или нос"
венными наБЛIодениями.
Сеrодня мы можем судить о строении и эволюции:
наблюдаемой нами Вселенной с той же ,степенью надеж..
ности, с ноторой мы судим О строении и эволюции звезд,
о природе друrих небесных тел.
Напомним читателю, что звездные истемы  rалак"
тини состоят из сотен миллиардов (;J;везд. Их размеры ча..
сто достиrают десятнов тысяч парсеков. rалактини
в CBOIO очередь собраны в rруппы и с'ноплен'ия. Размеры
нрупных сноплений  неснольно миллионов парсенов
(Мпк). Имеются и еще большие по масштабам сrуще...
ния. и разрежения в распределении rала.КТИR. Однако на..
чиная с масштабов в неснолько сотен миллионов парсе
нов и больше распределение вещества во Вселенной
можно считать однородным.

1. КАК СТРОЯТ МОДЕЛИ ВСЕЛЕННОй
Что значит построить модель Вселенной?
Самый общий ответ на этот вопрос таков: необходимо
найти уравнения, ноторым подчиняются параметры, xa
рантеризующие свойства Вселенной, и затем решить эти
уравнения. Но нак можно писать накието уравнения
для всей Вселенной? В этом и следующих разделах мы
покажем, нан это делатся. Разумеется, rоворя слово
«модель», мы подразумеваем, что будем выделять кание
то основные свойства, интересующие нас в первую оче
редь. Заранее очевидно, что каждое явление беснонечно
мноrообразно и все ero черты не может описать никакая
система ураlвнений. Сназанное тем более справедливо для
Вселедной. Поэтому обычный :м:етод моделирования на-
коrолибо явления  это выделение в нем rлавноrо, ти
пичноrо.
Коrда мы rоворим о Вселенной, нас в первую очередь
интересует распределение вещества в самых больших
масштабах и ее движение. Значит, нам предстоит по
строить математичеСКУIО модель, описывающую распре
деление вещества в пространстве и ero движение. Что
касается распределения вещества в больших масштабах,
то, как уже было сказано, ero можно с хорошеЙ точ
ностью считать однородным по пространству. Нет во
Вселенной и канихлибо выделенных направлений. Кан
rоворлт, наша Вселенная однородна и изотропна. Что
определяет движение вещества в носмичесних масштабах?
Конечно же, это в первую очередь силы всеМ:ИРНОI о тя
rотения  они rлавенствуют во Вселенной. 11x назь[ваIОТ
та:кже силами rравитации. 
Итак, для построения модели Вселенной необходимо
воспользоваться уравнениями тяrотения. Закон всемир
Horo тяrотения был установлен И. Ньютоном. Ero спра--
ведливость подтверждала,сь на протяжении BeI\oB самыми
разнообразными астрономичесними наблюдениями и ла
бораторными энспериментами. Однако А. Эйнштейн по...
{2

назал, что занон тяrотения Ньютона справедлив лишь в
сравнительно с.лабых полях тяrотения. Для сильных же
полей необходимо применять релятивистсную теорию
rравитации  общую теорию относительности. Нание же
поля следует считать достаточно сильными? Ответ танов:
если поле тяrотения разrоняет падающие в нем тела до
сноростей, близних н ско--
рости света, то это силь--
ное поле. Какова сила
rравитационноrо поля во
Вселенной? Леrно пона....
зать, что поля там дол--
жны быть оrрОIНЫМИ.
Будем считать вещество
однородно распределен--
HыM в пространстве с
плотностью р и мысленно Рис. 1. Выделенный шар в OДHO
выделим в нем произволь родной Вселенной
ный ша р радиуса R
(рис. 1). Масса этоrо шара М == "/s'JtRЗр. Рассчитаем по
эанону Ньютона силу тяrотения, СОЗДqваемую массой М
на поверхности шара:
GM 4
F == R 2 == тлGрR.,
е.. · ... ....: .: .." ..... '. . . : . ':.А .: : . .е. .. " . . . 
.. ... .'. . . ... .' . ......
. . .
.' .
. . .
. . ..
. .
. '.'
. .. ..
.
. .
. .
............. .
'. .
.......
(1.1)
Здесь G  постоянная тяrотения Ньютона. Для получе--
'ния последнеrо равен.ства в (1.1) вместо М подставлено
приведенное выше ее выражение. Мы видим, что в од--
нородной Вселенной сила F тем больше, чем больше R.
Если для малеНЬRоrо шара она :мала и l\Iожет вычислять--
ся по формуле Ньютона, то, Rоrда мы рассматриваем
все ббльшие и ббльшие R, сила растет неоrраниченно и
становится очень большой. При этом необходимо уже
пользоваться уравнениями Эйнштейна.
Нан было СRазано во Введении, А. А. Фридман BOC
пользовался для построения 10дели Вселенной уравне-
ниями Эйнштейна. Однако MHoro лет спустя выясни:лось;
что для построения механики движения масс в OДHOpOД
ной ВселенноЙ нет необходимости использовать сложней
ший математичесний аппарат теории Эйнштейнаl Это
было ПОRазано в 1934 r. Э. Милном И В. МаRНРИ. При-
чина этой удивительной возможности состоит в следую--
щем. СферичеСRисимметричная материальная оболочка
ие создает никаRоrо rравитационноrо поля во всей BHYT
реннеЙ полости.
13

:1\11>1 ЭJl;ОСЬ ПОJ\[tжем: ЭТО в случае теории 1-1 ыIтона..
Рассмотрим !атерпаJlhНУЮ сферу (рис. 2). Сравним:
силы тяrотеппл, ноторые тяпут тело м:ассы т (находя..
!цеесн в ПрОП3ВОJIЬНОЙ точие внутри сферы) в противо
ПОЛОЖНI>IО стороны а и Ь. IIаправление липпи аЬ, прохо
дящей через п, проиэвольно. Эти силы
создаIОТСЯ веществом, располол-\ев:ным
на учаСТI\ах сферы, вырезанных узни
ми нонусам:и с одинаковыми уrлами
при вершине. Площади площадочек,
вырезаемых этими узкими конусами,
пропорциональны квадратам высот
этих конусов. 3начт, площадь Sa, пло..
щаДОЧRИ а относится R площади. Sb
площадочки Ь нак квадраты расстоя...
пий ra и rb от т до поверхности:
ь
Рис. 2. R расче
'1'У с.ил тлrотения
внутри :ма териаль
ной сферы (см.
тенст)
Sa r

S Ь  rg.
110 так как Maca считается равномерно распределенной
по поверхности сферы, то для масс площадочек получа...
ем то "ке отношение:
(1.2)
Ма r
----- == ...............
МЬ rg
( 1.3)
Теперь можно вычислить отношение сил, с которыми
площадочки притяrивают тело. Сами силы записываются
соrласно закону Ныотона следующим образом:
Fa == GMam,: F b == GMbm.
,. . r 2 (1.4)
а ь
Их отношение есть
Подставляя в (1.5)'
паходим
Ра
Р Ь ==
Marg
.
Mbr
Ма
ero значение из
Мь
( 1.3)' ,
(1.5)
Bl\IeCTO
Fa == F b .
( 1.6 I
Следователыю, силы равны по абсолютной величине,
направлены n ПРОТИВОПОЛОiIные стороны и уравновеmи...
BaIOT друr ДРУIа. То же можно повторить и для любых
14

дrуrих напраплениif. Значит, все противоположно па...
правленные силы уравновешены, и результирующая си
ла, действующая на т, равна нулю. Точна, в I\ОТОрОЙ
расположено тело т, произвольна. Следовательно, внутри
сферы действительно нет сил тяrотения. .
Теперь обратимся н рассмотрению сил тяrотения во
Вселенной. Во Введении было сназано, что в больших
масштабах распределение вещества во Вселенной можно
считать однородным. Мы везде в этом разделе будем pac
сматривать тольно большие масштабы и поэтому будем
считать вещество однородным.
Вернемся 1\ рис. 1. Рассмотрим сначала силы тяrоте
ния, создаваемые на поверхности шара ТОЛЬRО веществом
caMoro шара, и не будем пока рассматривать все осталь
ное вещество Вселенной. Пусть радиус шара выбран не
слишком большим, тан что поле тяrотевия, создаваемое
веществом шара, относительно С'лабо и применила тео..
рин Ньютона для вычисления силы тяrотения. Тоrда ra..
лак'r.ИКИ, находящиеся на rраничной с,фере, будут притя"
rиваться I\ центру шара с силой, пропорциональноЙ мас..
се шара lt;] и 'обратно пропорциональной квадрату ero
радиуса R.
Тецерь вспомним о всем остальном веществе Вселен..
вой вне шара и попытаемся учесть силы тяrотения, им
создаваемые. Для этоrо будем рассматривать последова..
тельно сферичесние оболочки все большеrо и большеrо
радиуса, охватывающие шар. Но выше :мы поназали, что
сферичеснисимметричные слои вещества нинаних rрави"
тационных сил внутри полости не создают. Следователь...
во, все эти сферичеснисимметричные оБОЛОЧRИ (т. е. все
остальное вещество Вселенной) ничеrо не добавят к силе
притяжения, которое испы'тывает rалаКТИRа А на по..
верхности шара R ero центру О.
Как уже было сназано, таной же вывод справедлив и
в ОТО. Теперь ясно, почему для вывода занонов движе..
ния масс в однородной Вселенной можно ВОСПОЛЬЗ0вать
ел теорией Ньютона, а не Эйнштейна. Мы выбрали шар
достаточно малым, чтобы была применима теория Нью..
тона для вычисления rравитационных сил, создаваемых
ero веществом. Массы остаЛЬНОlI Вселенной, ОRружаю...
щие шар, на силы rравитации в данном шаре никак не
повлияют. Но никаких друrих СИJI в однородной ВсеJIеи...
Пой вообще нет! Действительно, это моrли бы быть толь...
ко силы давления вещества. Но даже если давление есть
.(а мы увидим, что в даленом прошлом давление по Все...
{5

ленной было оrро:мным), 1'0 оно не создает rидродивами",
чесной силы. Ведь таная сила возникает тольно при пе
репаде давления от места к месту. Вспомним, что мы не
чувС'твуем нинаной силы от больmоrо давления нашей
атмосферы изза Toro, что внутри нас воздух создает точ--
но такое же давление. НИRаноrо перепада нет  нет и
силы. Но наша Вселенная однородна. Значит, в любой
момент времени и плотность р, и давление Р (если оно
есть) везде одинановы, 11 нинаноrо перепада давлений
быть не может.
IITaH, для определения динамини вещества нашеl'О
шара существенно только тяrотение ero м:ассы, определя..
емое по т,еории Ньютона *) . .
Но Вселенная однородна. Это значит, что все области
ее энвивалентны. Шар мы выбрали 'в произвольном мес..
те. Если мы определим движение вещества в данном
шаре, найдем, нан меняются в нем плотность, давление,
то тем самым найдем изменение этих величин и в лю..
бом друrом месте, во всей Вселенной. Это и является на..
шей задачей.
2. УРАВНЕНИЕ, УПРАВЛЯЮЩЕЕ
ДИНАМИКОй ВСЕЛЕВНОИ
Напишем теперь само уравнение, определя..
ющее динамику нашеrо шара.
Обратимся снова н рис. 1. Вычислим, каное уснорение
под действием тяrотения массы Bcero шара имеет rалак...
тина А, находящаяся на ero rранице, по отноmеНИIО к
друrой rалантине О в ero центре. Соrласно закону Нью...
тона оно есть
од,!
а === ........ .
R
(2.1)
Знан «минус» означает, что ускорение соответствует
притяжению, а не отталниванию.
Итан, lлюбые две rалактини, находящиеся' воднород",
ной Вселенной на расстоянии R, испытывают относи--
тельное уснорение (отрицательное) а, ,даваемое фор:му",
лой (2.1). Это и означает, что Вселенная должна быть
*) в дальнейшем (см. раздел 12) мы увидим, что если дaB
пение велико, то оно вносит свой вклад в создание поля тяrоте
вия и в этом смысле есть отличил от теории Ныотона даже ДЛЯ
иаленькоrо шара: ,НО это уточнение для нас сейчас песуществен"
ВО, Tal{ как в сеrодняmней Вселенной давление M:aJI0.
16

пестациопарпой. Действительно, если бы IvlЫ представи..
ли, что в некоторый момент времени rалактики ПОI{ОЯТ
ся, не движутся и плотность вещества во Вселенной не
:меняется, то в следующий момент rалантини получили
бы СRОрОСТИ под действием взаимноrо тяrотения Bcero
вещества, тан как имеется уснорение тяrотения) даваемое
формулой (2.1).
Итак, покой rалантик друr относительно друrа возмо"
HeH лишь на м:rнонение. В общем же случае rалантини

должны двиrаться  они должны удаляться или соли
жаться, радиус шара R (см. рис. 1) должен меняться со
временем:, плотность вещества должна танж-е изм:еняться
со временем.
Вселенная должна быть нестационарной, ибо в неЙ
деЙствует тяrотепие  таной основной вывод теории.
Кан КОНЕретно ДОЛЖlIЫ двиrаться rалантини, как
должна меняться плотность, будет ли происходить pac
ширение или сжатие?
Это зависит не тольно от сил тяrотения, управляю
щих двп}нением. Эти силы дают ускорение, а точнее,
торможение (знан «миус» в формуле (2.1)), т. е. пона
зывают, нан будет меняться скорость со временем. Оче
видно, надо знать, какова скорость в неноторый мо:мент,
после чеrо, зная ускорение, можно рассчитать, как CKO
рости будут меняться с течением времени. Если задать
в неI{ОТОРЫЙ момент по]\ой rалантин, то в последующие
мом:енты rаланти:ни начнут сближаться, Вселенная будет
сжи:маться. Е,сли задать в начальный момент скорости
rалактин так, чтобы они удаJi:яли:сь друr от друrа, то :м:ы
получим: расширяющуюся модель Вселенной, расширение
которой тормозится тяrотением.
Величину скорости в некоторый момент теория тяrо
тения caIa дать не может, ее можно получить из наблю
дениЙ, либо же ее может дать теория, уназывающая при
чину возникновения начальных скоростей, т. е. причину
Больmоrо взрыва. R этим проблемам мы обраТИl\rIСЯ
позже.
Уравнение (2.1) является основным уравнением, оп
ределяющим динамику Вселенной. Ero решение даст за
висимость радиуса шара 'R (и ero объема) от времени t.
Для Toro чтобы найти, нак меняется плотность вещества
от врмени, надо знать, кан плотность меняется при из
менении объема шара. В случае, коrда давления нет или
оно мало (а такой случай мы сейчас и будем рассматри
вать) , эта зависимость совсем проста  плотность р об
2 и. д. НОВИКОВ 17

ратно пропорциональпа объеfУ V: р V == const. Зная из...
менение радиуса R с t, мы будем знать относитеJIьное
движение любых частиц вещества (RОТОРЫМИ являются
rалаRТИКИ или их скопления). Действительно, ведь :м:ы
10rли брать центр шара rде уrодно, а размер ero про
изволен.
При расширении все частицы удаляются друr от дpy
ra, при сжатии  сближаются. Нет никаRоrо выделенно
ro центра расширения или сжатия, все движения частиц
относительны *) .
Решение уравнения (2.1) при т,ех или иных предпо..
ложениях по существу и является построением механи...
ческой модели Вселенной.
Сделаем ТОЛЬRО одну существенную orOBopKY. Радиус
шара выбирался достаточно малым для Toro, чтобы была
справедлива теория тяrотения Ньютона. Мы увидим
далее в разделе 10, что в реальной Вселенной эти «до...
статочно малые» расстояния в действительности orpoI"
ВЫ. ДЛЯ вычисления относительноrо движения веще...
етва в пределах этих расстояний и для вычисления и'в",
,менения плотности со временем теории Ньютона ДО'"
статочно.
Но если мы захотим ра.ссмотреть еще большие мас...
штабы, то необходимо будет учесть то новое, что дает
ОТО по сравн,ению с теорией Ньютона. Самой важной
вовой чертой является влияние  rравитации и движения
вещества на rеометричеСRие свойства трехмерноrопрост"
ранства, на ero «ИСRривленность» (мы в дальнейшем по'"
ясним, ЧТО это TaRoe). Поэтому, коrда rоворят о построе..
пии модели Вселенной, имеют в виду не только динами-
ку движения масс, но и определение rеометрических
свойств пространства. В теории Фридмана для определе...
пия «кривизны» пространства имеется еще одно уравне...
вие. R этому вопросу мы обратимся в разделе 10, а сей...
час вернемся к динаМИRе, к уравнению (2.1).
Сейчас мы познакомимся с тем, KaR теоретики строят
конкретные модели. Конечно, мы можем раССJ{азать толь...
ко о некоторых принци'пах. Сама работа теореТИRОВ
трудна и мноrообразна и требует очень высокой и слот...
ной профессиональной подrотовки. Разные решения, да-
ющие разные модели, получаются в зависимости от сде-
ванных предположений. RаRая модель соответствует
*) Более подробно этот вопрос рассмотрен 13 книrе: Нови'"
"ов и. д. Эволюция ВсслеНIIОЙ. lVI.: Наука, 1983.
t8

" реальной Вселенной, ЗiНН,fr:и'т ОТ Toro, наСRОЛЪRО сделай..-
ные предположения отвечают действительной ситуации.
Разумеется, возможно, что на разных этапах эволюции
ВсеЛСIl'ная описывается разными моделями. Неноторые
реlпения уравнений MOryT оказаться совсем абстрантны'"
ми и не имеющими отношеНlIЯ н нашей Вселенной.
Впрочем, нан показал опыт развития носмолоrии, часто
реПlения, ноторые назались абстрантными и совсем ото...
рванными от действительности, вдруr оназывались име...
ЮЩИlИ rлубоний смысл и ОПИСЫ1Jающими неRоторые си...
туации: во Вселенной. С этим обстоятельством мы также
с'толкнемся.
3. МОДЕЛЬ ЭйНШТЕйНА
Первая носмолоrичесная модель была по....
строена А. Эйнштейном в 1917 r. всноре после создания
им ото. Основной вьiвод ero теории, примененный I{O
Вселенной, сводился по существу к уравнению (2.1).
Однано А. Эйн'штейн не Mor принять этот вывод. Ведь
из Hero следовала нестационарность Вселенной. Творец
ОТО не Mor с этим сбrласиться. Как и все тоrда, он счи...
. тал, что Вселенная должна быть стационарна, она не
может направленно эволюционировать. Напомним, . что
модель создавалась более чем за десять лет до отнрытия
э. Хаббла. А. Эйнштейн, ПОВИ:ДИМОМУ, ничеrо не знал
о больших скорост.ях некоторых rалантин, ноторые н то...'
МУ времени уже были измерены. R тому же в то время
не было еще надежных доназателъств, что rалантини 
действительно даление звездные системы. Излаrая. свою
Модель, Эйнштейн писал: «Самое важное из Bcero, что
(Нам известно из опыта о распределении материи, ваклю...
чается в том, что о'tJIосительные скорости звезд очень
малы по сравнению со скоростью света. Поэтому я по...
лаrаю, что на первых порах в основу наших рассужде....
вий можо пололить слеДУIощее приближенное допуще...
вие: имеется Rоординатная система, относительно ното...
рой материю можно рассматривать находящейся в тече...
вие продолжительноrо времени в поное».
Как же примирить вывод о стационарности с урав...
нением (2.1)? А. ЭЙНIIIтейн пришел н заRлючению, что
для уравновешивания сил тяrотения надо ввести во Все....
ленной силы отталкивания. ЧТО это за силы ноннретно,
ОН не знал. Но идея стационарности Вселенной столь
2*
{9

довлела над ним, что он без Rолебаний ввел их в свою .
теорию.
Еще более сильные арrументы для введения таких
сил следовали, по мнению А. Эйнштейна, из соображе...
ний, связанных с попытками объяснить происхождение
сил инерции. Однако мы не будем в данной книrе Ka
саться этих вопросов. Каковы должны быть свойства rи...
потетических сил отталкивания?
Для ответа обратимся R уравнению (2.1). Перепишем
прежде Bcero это уравнение, заме'нив в нем массу шара
М выражением М == 4/ зn R 3 р. Тоrда для сил тяrотения
получим
4
а тяr ==  3 nG pR ·
Чтобы уравновесить тяrотение, ускорение,
силой отталкивания, должно быть равно а тяr
вой величине и противоположно по знану:
4
а отт == ......... а тяr == 3 nG pR .'
(3.1 )
создаваемое
по абсолют..
(3.2)
ТаRИМ образом, сила отталнивания должна быть пря
ио пропорциональна расстоянию.
Исходя из таких соображе'ний, Эйнштейн ввел носми
ческую силу отталкивания, ноторая делала мир стацио..
варным. Эта сила универсальна: она зависит не от мас...
сы тел, а только от расстояния, их разделяющеrо. У ско"
рение, которое эта сила сообщает любым телам, разне...
сенным на расстояние R, должно быть пропорционально
расстоянию и записывает'ся, следовательно, в виде
а отт == const · R. (3.3J
3'ная среднюю плотность р всех видов вещества во Все...
nенной, можно по формулам (3.2) и (3.3) найти ЧИСJIО'"
:вое значение уснореНИlI отталкиван.ия. Мы увидим да...
лее, что р близко к значению р == 1029 r/ см З . А для а отт
получаем
а отт  3 · 10З6 R см/ с 2 .
(3.4 )'
Числовую константу в формуле (3.4)' или, точнее, вели"
чину, получаIОЩУЮСЯ от деления утроенной константы
па квадрат скорости света (этот выбор удобен при вы...
числениях), называют космолоrичесной постоянной и
обозначают буквоЙ л.L1тан, соrласно идее Эйнштейна
А == 1056 CM2. (3.5)
20

си.лыI отталкивания, если они, I\опеЧI-IО, существуют D
природе, можно было бы обнаружить в достаточно точ
ных лабораторных опытах. Однако малость величины А
делает задачу ее лабораторноrо обнаружения совершенно
безнадежной. Действительно, это ускорение пропорцио--
нально рас'стоянию R и в малых масштабах ничтожно.
Леrко подсчитать, что при свободном падении тела на
поверхность Земли добавочное ускорение в 1030 раз (!)
меньше caMoro У'скорения свободноrо падения. Даrке в
маСIIIтабе Солнечной системы или всей нашей rалактики
эти силы ничтожно малы по сравнению с силами тяrоте...
ния. Так! нетрудно подсчитать, что у'скорение, сообщае...
мое Земле тяrотением Солнца, равно а == 0,5 см/с 2 . Для
вычи,сления а отт в этом случае подставим в (3.4) расстоя...
ние между Землей и Солнцем R === 1,5 . 1013 см. Получим
а отт  5 . 1023 СМ/С\ что. в 1022 раз меньше а тяr . Разумеет...'
ея, это оттал:кивание никак не сказывается на движении
тел Солнечной системы и может быть обнаружено толь...
1\0 п'ри исследовании движений самых отдаленных на...
блюдаемых rалакти:к.
. Так, в уравнениях тяrотения Эйнштейна появилась
космолоrическая постоянная, описывающая силы оттал...
кивания вакуума. Действие этиt сил столь же униве,р...
сально, как и сил всемирноrо тяrотения, т. е. оно не за...
висит от физической природы тела, на :котором проявля
ется, поэтому лоrично назвать это действие rравитацией
вакуум:а, хотя обычно под rравитацией понимают притя",
жение, а здесь мы и:меем отталкивание.
Через несколько лет после работы Эйнштейна
А. А. Фридманом была создана теория раСШИРЯlощейсл
Вселенной. А. Эйнштейн сначала не соrлашался с выво...
дами cOBeTCI{OrO математика, но потом полностью их при...
знал. После Toro как Эйнштейн признал теорию Фридма...
на, он стал склоняться к мысли, что Лчлен не следует
вводить в уравнения тяrотения, если их решение для
Bcero мира можно получить и без этоrо члена.
После открытия Э. Хабблом расширения ВселенноЙ
:какиелибо основания предполаrать, что в природе суще
ствуют космические силы отталкивания, казалось бы,
отпали. Правда, решение, описывающее расширяющийсл
мир, можно получить и для уравнений с Л...членом. Для
этоrо достаточно предположить, что силы тяrотения и
оттаЛRивания не компенсируют точно друr друrа; тоrда
преобладающая сила приведет к нестационарности. Это
было отмечено еще в пионерских работах Фридмана.
21

Наблюдения RpaCIIoro смещения *)' во вре.мена Хаббла
были недостаточно точны, чтобы определить, наное реше--
вие осуществляется в природе: с Ачленом или без Hero.
Тем не менее мноrие физини с неприязнью поrлядывали
на Ачлен в уравнениях, ПОСRОЛЬНУ он осложнял теорию
и ничем не был оправдан. Эйнштейн и мноrие друrие
физини предпочитали писать уравнения тяrотения без
Лчлена, т. е. считая А == о. Эйнш'тейн назвал вреде'ние
:космодоrичесной постоянной в свои уравнения «самоЙ
rрубой ошибной в своей жизни».
Мы увидим в дальнейшем, что то, что Эйнштейн счи
тал своей ошибной, па самом деле являлось первым ша
rOM н пониманию некоторых важнейших свойств физиче
сних .взаимодействий элементарных частиц, R пониманию
природы пустоты  физиче,сноrо BaRYYMa. Но в начале
нашеrо вена отказ Эйнштейна от Ачлена назался есте--
ственным.
ОднаRО носмолоrи 30x rодов не отназались столь по--
с.пеШRО от Ачлена. И, HaR мы увидим в дальнейшем,
они были правы, хотя вся проблема и оказалась rораздо
сложнее, чем представлялось в те. уже далекие rоды.
Если мы хотим учесть силы Rосмиче,сноrо оттаЛНива--
вия в уравнении ди'на:МИRИ Вселенной, то надо написать
полное усноревие
а === а тяr + а отт ,
и уравнение приобретает вид
G М лс 2
а ===  11.2 + T R .)
(3.6)
rлядя на это уравнение, леrRО усмотреть важный прин--
ЦИIIиальный недостаТОR модели Эйнштейна. Пусть сла--
rаемые в правой части точно уравновешивают друr
друrа и а === о. Но достаточно R чутьчуть измениться,
RaI{ одно слаrаемое увеличится, а друрое уменьшится и а
станет отличным от нуля. Значит, R начнет меняться 
разбалаНСИРОВRа будет нарастать. Поной модели Эйн--
штейна иллюзорный, он неустойчив, анеустойчивые со--
стояния не морут осуществляться в природе. Поэтому
модель Эйнштейна заведомо осуществиться не' может.
*) RраСНЫl\{ смещением называется покраснение света, Bы-
званное удалением источника света (см. далее с. 28).
22

4. ПУСТАЯ ВСЕЛЕННАЯ
Что будет, если ив Вселенной убрать все
вещество? На первый взrллд нажется, что такая опера--
ция совершенно абстрантна и получаемая модель будет
соответствовать лишь разrулявшемуся воображению Teo
ретинов. 110 мы увидим далее, что это вов-се не тан и ни--
чеrо фантастичесноrо или тем более наивноrо в такой
операции нет. Кан мы увидим (см. раздел 27) ,LB и.сто",
рии Вселенной, повидимому, был период, ноrда  она бы
ла прантичесни пуста, своБОДlна от обычной Физической
материи, и модель пустой Вселенной описывала тоrда ее
эволюцию.
Впервые модель пустой Вселенной была построена
rолландсним астрономом В. де Ситтером в 1917 rJ Вил....
лем де Ситтер был, е'сли тан можно выразиться, "«нлас....
сическим астрономом». "Он MHoro занимался точным оп....
ределением ПQложения знезд на небе, небесной механи
кой, был одним из пионеров ма'с'совых фотометричесних
наблюдений звезд. В течение десятилетий он изучал
ДRижение спутнинов Юпитера, создал теорию этоrо дви--
жения, ноторой пользуются ДО сих пор!' В. де Ситтер
сразу оценил то orpoMHoe значение, ноторое теория Эйп--
штейна должна им..еть в астрономии вообще и в. носмоло--
rии в особенности. Модель.. Вселенной де Ситтера была
опублинована в тот же rод, что и модель Эйнштейна,
и обе эти модели можно считать первым опытом ПрИIе--
пения ОТО в носм:олоrии.
Итан, следуя де Ситтеру, уберем из Вселенной все
вещество. Это оз'начает, что р == О, и поэтому ма,сса шара
М в уравнении (3.6) тоже равна нулю. Уравнение (3.6)
тоrда перепишется в виде
Ас 2
a===gR.
( 4.1 )'
С.ледствия этоrо уравнения удивительны. Поместим в на...
шу пустую Вселенную две своБодныIe пробные частицы
на расстоянии R друr от друrа. Частицы называются
пробными, таи нан предполаrается, что их массы доста..
точно малы, чтобы не влиять на их относительное дви....
жение, а свободными они называются потому, что на
них не действует нинаная сила, нроме rравитации, вы--
званной Ачленом. Во В,селенной это MorYT быть, напри--
мер, две rалантини, расположенные достаточно далеко
друr Ьт друrа. Соrласно выражению (4.1) отрицательная
23

l'равитация, описываемая Ачленом, заставляет обе ra
даНТИRИ двиrаться друr от ДРуrа с ускорением, пропор
циональным расстоянию R. Если по ускорению найти
скорость, а затем изме,нение расстояния со временем
(тот, кто не умеет это делать, пусть поверит на слово),
то леrко показать, что относительная скорость частицrа
лаКТИI{ будет стремительно нарастать и по прошеlСТВИИ
HeKoToporo време'ни вави,симость R от t будет выражать
ся формулой
R == Ro ехр (1' А/3 · ct).
( 4.2)
Такую зависимость называют экспоненциальноЙ, она BЫ
ражает чрезвычайно быстрый рост R от t.
Какой же мы долл\ны сделать выIод?? В «почти пус
ТОЙ» Вселенной, Т. е. в такой Вселенной, в которой мож
по пренебречь обычным тяrотением rалактик друr к дру..
ry п'о сравнению с отрицательной rравитацией Ачлена,
rалактики MorYT приобрести большие скорости уда:ления
дPyr от друrа. Такой вывод получил де Ситтер в 1917 r.
В это время ему были известны скорости ТОЛЬRО трех
rалактик, и оп не Mor прийти R какомулибо определен..
НОМУ заключению о справедливости своей теории. Мы
увидим далее, что к сеrодняшней В'селенной модель
де Ситтера вряд ли примениа, ибо Ачлен либо равен
нулю, либо очень мал и динамика Вселенной определя..
ется орычным тяrотением вещества. Но эта модель OKa
залась ваЖНой для описания далекоrо прошлоrо Вселен...
JIОЙ, коrда она только начинала расширяться (см. раз--
дел 271.
5. ПРЕДСКА3АНИЕ ФРИДМАНА
Модели Фридмана соответствуют решениям
уравнения (3.6)' без Rаких--либо добавочных оrраничений.
С этой точки зрения и модель Эй'нштейна, и модель
де Ситтера являются предельными случаями моделей
Фридмана. Соrла.сно современным наблюдательным дан."
ным космолоrиче'ская постоянная, Rоторая иrрала столь
существенную роль в описанных выше м:оделях, вероят"
,нее cero либо равна нулю, либо очень мала в сеrодняш",
вей Вселендой, и ею можно пренебречь. Поэто:м:у в даль...
'нейшем при опи,сании моделей Фрид:м:аtIа будем считать!
А == о. Тоrда мы снова возвращаемся к уравнению (2.1).
24

Если с помощью этоrо уравнения по ускорению найт!!
скорость, то получится след ующее в ыражение:
и=== Y 2G: + A . (5.1)
3дось А  постоя'иная величина, которая в зависимости
от выбранных условий задачи может принимать любое
значение: отрицательное, нуль и положитеJtьное. Просле
дим теперь с помощью выражения (5.1)" за судьбой Ha
шеrо шара, имеющеrо мас,су м: Посмотрим, как с т'ече...
нием времени меняется ero радиу'С R.
Пусть в не который момент t o известен ero размер Ro
и скорость расширения ero поверхности ро. Тоrда, под...
ставив эти величины в (5.1), мы найдем значение по...
стоян ной А. Оказывается, судьба шара зависит от Toro,
положительна ли А, равна ли HY
лю или отрицательна. Пусть А > R
> О. Тоrда в ходе расширения ша...
ра ero радиус R будет возрастать.
. Первое слаrаемое I под корнем в Ro 
(5.1) будет уменьшаться, и CKO
рость V будет падать. Это не уди...
вительно  тяrотение тормозит
разлет. Однако скорость никоrда
не станет меньше v === l' r Ско"
рость разлета стремится к этой
величине, коrда радиус шара He
- оrраниченно увеличивается: R 
 00. Итак, в случае А > О шар
расширяется бесконечно. Ijетруд
но проследить и то, как менялся радиус шар.а R дО МО..
мента t o . Тоrда R было меньше, а значит, скорость раз..
лета больше. В целом rрафик изменения R с течением
времени представлен на рис. 3. В некоторый момент в
прошлом разлет вещества шара начался с точечных раз..
меров R == О. Удобно обозначить этот момент t == О.
Рас,смотрим теперь друrой случай. Пусть в MOM.eH
t o начальные условия таковы, ЧТо' вычисления по фОрl\IУ'"
ле (5.1) дают А < О. Очевидно, для этоrо при тех же Al
и Ro надо задать ро заметно меньше, чем в первом слу..
Чае. Теперь расширение шара не может продолжаться,
веоrраниченно. В сам:ом деле, с ростом R первый член
под корнем уменьшается и в конце концов сравняется
по абсолютной величине с А. В этот момент скорость по-
верхности шара v обратится в нуль, расширение, затор....
t o t
Рис. 3. Изменение ради
уса шара со временем
при А > О
25

моя\еНRое тяrотениеI, преI\ратится. В дальнеЙшем тлrо..
т,ение будет сжимать шар. В целом rрафин, изображаю--
щий изменение R с т,ечением времени t, предстаВJIetI на
ри.с. 4. В неноторый мо:м:ент t l шар снова сжимается
в точну.
Наконец, возмояен промежуточный случай: А == о.
в этом случае расширение шара продолжается неоrрани"
ченно (рис. 5).
Леrно сообразить, почему судьба шара разная вразо...
бранных выше при:мерах. В П,ервом случае, ноrда А > О,
ваданная начальная скорость ио велика и, несмотря на
R
R
t o
t
t o

Рис. 4. Изменение радиуса шара со
временем при А < О
Рис. 5. Изменение ради--
уса шара со временем
при А == О
rравитационное торможение, шар разлетается в беСRО"
нечность. rоворят, что СRОрОСТЬ ио больше второй RОСМИ"
чеСRОЙ СRОрО,сти. Во BTOpO1 случае, Rоrда А < О, началь..
вал СЕОрОСТЬ ио меныпе второй космической и тяrОТ8ние
меняет разлет на сжатие. Нанонец, А == О нак раз COOT
ветствует второй Rосмиче'СRОЙ СI\ОрОСТИ:
и2l1 == { 2M .
о
(5.2)
Теперь вспомним, что нас инrересует Вселенная, а шар
выступает нан типичный представитель элемента объема
вещества Вселенной. Мы изучаем однородную Вселен..
ную. Поэтому и рассматриваемый нами шар надо счи..
тать однородным. В наrКДЫЙ момент времени внутри та..
Koro Iпара скорости V точек по отношению н центру про--
порциональны ра,с,стоянию от центра r:
V == [! r . ( 5.3 )'
3де,сь Н  ноэффициент пропорциональности, он не аа..
висит от r, но меняется с течением вреlVIени t. Разумеет..
26

сл, в:место нашеrо шара радиуса R можно было взять
шар радиу'са r, и все выводы для этоrо шара были бы
теми ,не самыми. Наше решение поназывает, нак с тече
нием времени изменяется расстояние между, например,
парой далених друr от друrа rалантик.
Можно вычислить, нан с течением: времени изменяет
ся средняя плотность, вещества во Вселенной. Для этоrо
надо поделить М на объем шара V:
М
р == 4/ з 'JtR 3 · (5.4)
Тан :кан зависимость R от времени известна (см. рис. 3
5), то читатель леrно п'редставит себе изменение р с Te
чением времени для разных случаев модели Фридмана.
Отметим следующ,ее важное свойство всех вариантов
:модели Фридмана: в прошлом был момент, коrда R шара
раВНf!:ЛОСЬ нулю, а значит, плотность р стремилась н бес
конечности. Этот момент, который мы обозначили через
t == О, называют 10MeHTOM: синrулярности. У читателя,
Rонечно, уже вознин вопрос: какой из перечисленных
возможных вариантов эволюции Вселенной соответствует
действительности? Каково значение постоянной' А ДЛЯ
нашей Вселенной? Ведь от ответа на этот вопрос зависит
ни MHoro ни l\1ало  даленое будущее нашей Вселенной.
,Ответ на вопрос о значении А MorYT дать толь:ко Ha
блюдения. К проблемам наблюдательной :космолоrии мы
теперь и обращаемся.
В за:ключение этоrо раздела о теоретическом пред..
сказании Фридмана м:ы хотим еще раз подчеркнуть на...
учныЙ и человечеСIПIЙ подвиr COBeTcKoro математина,
 работавшеrо в исключительно трудный период времени,
и привести стихи о нем поэта Л. l\fартынова:
Мир не до конца досознан  небеса Bcef да в обновах, aCTpo
номы к старым звездам добавляют новые.
Если бы открыл звезду я, я ее назвал бы: Фридман  лучше
средства не найду я сделать все яснее видным.
Фридман! До сих пор он житель лишь немноrих книжных
полок  математики любитель, молодой метеоролоr и военный
авиатор на repMaHcKoM фронте rдето, а поздней орrанизатор
Пермскоrо университета на заре советской власти... Член Осоавиа
хима. Тиф схватив в Крыму, к несчастью, не вернулся он из
Крыма. Умер. И о нем забыли. толы\o через четверть века вспом
пили про человека, вроде как бы оценили:
 l\10ЛОД, дсрзновенья полон, мыслил он не безыдейно. Факт,
QTO кое в чем пошел оп дальше caMoro Эйнштейна: чуя ФОРl{
непостоянство в ЭТОМ миреур,аrаве, видел в кривизне простраII
ства он rалактик разбеI'аньс.
27

Расширение Вселенной? В этом надо разобраться!
Начинают пререкаться...
Но ведь факт, 11  несомненный: этот Фридман был ученым
с будущим весьма завидным.
О, блесни над небосклоном новою звездою, Фридман!
6. ОТКРЫТИЕ В3РЫВАЮЩЕЙСЯ ВСЕЛЕННОЙ
Работы Фридмана поназали, Kal\ с течением
врем:ени должна эволюционировать Вселенная. В частно
сти, они преДСl\азали необходимость существования в
прошлом «синrулярноrо состояния»  вепества оrромной
плотности, а значит, и необходи:мость I\акойто причины,
побудившей сверхплотное вещество начать расширяться.
Это было теоретическим ОТI\рытием взрывающейся 'Bce
ленной. Заметим, что открытие было сделано без нали
чия наl\ихлибо идей о са:мом взрыве, о причине начала
расширения Вселенной. Никаних нам:еков на подобные
идеи ни в теории, ни в эксперименте не сущеСТ:60вало.
Но уже из Toro факта, что Вселенная однородна, сле,Ц.О
вало, что изза тяrотения материи она нестационарна,
а значит, в прошлом должна была быть причина начала
расширения  причина Большоrо взрыва.
Наблюдательное открытие взрывающейся Вселенной,
нак мы уже упом:инали, было сделано американсним
астроном:ом э. Хабблом в 1929 r.
Далекие звездные системы  rалаI\ТИНИ и их снопле
пия  являются наибольшими известными астрономам
структурными единицами Вселенной. Они наблюдаются
с оrро:мных расстояний, и им:енно изучение их ДВИЖJ8ний
послужило наблюдательной основой исследования нине
матики Вселенной. Для далених объентов можно изме
рять скорость удаления или приближения, пользуясь эф
фентом Доплера. Напомним, что соrласно этому эффен
ту у приближающеrося источнина света все длины волн,
измеренные наблюдателем, уменьшены, смещены к фио
летовому нонцу спектра, а для удаляющеrося источни
ка  увеличены, смещены к красному нонцу спектрц.
Величина смещения обозначается буквой z ц определя
ется формулой
Лнабл  Л изл v
z==  
'1  С .1
J1v и зл
(6.1)
Эта формула справедлива для сноростей v, MHoro MeHЬ
. ших снорости света С, Т. е. Ноrда применима механина
. Ныотова. При скоростях, близких к световой, формула
'28

усложняется, но JИЫ сейчас на этом останавливаться не
будем, ибо будем пока раесматривать скорости, малые по
сравнению со световой.
Из:м:еряя смещение спектральных линий в спентрах
небесных тел, астрономы определяют их приБЛИil\ение
или удаление, т. е. измеряют компоненту скорости, Ha
правленную по лучу зрения. Поэтому скорости, опреде
ляемые по спектральны:м измерениям, носят название
лучевых скоростей. Пионером измерения лучевых CKOpO
стей у rалактик был в начале ПрОIIIлоrо века американ
ский астрофизик В. СлаЙфер. '
Первое определение лучевой снорости rалактики бы
ло опубликовано Слайфером в 1914 Т. ЭТО была зна:ме
нитая Туl\tIанность Андромеды, как потом выIснилось,
одна из, ближаЙIIIИХ к на:м: rалактин. Наблюдения пока
зывали, что 1'YMaHOCTЬ Андро:меды приближается к нам
со скоростью около 300 им/с. В 1925 r. Слайфер изме,
рил скорости уже 41 rалактики. В то время еще не
были известны расстояния до rалактик и велись оже
сточенные споры, находятся ли они внутри нашей звезд
-ной системы  rалактики  или далеко за ее пределами.
Слайфер обнаружил, что БолыIIнствоo rалактик (36 из
из:меренных им 41) удаЛЯIОТСЯ и наибольшая скорость
удаления преВЫIIIает 1000 км/с. Приближалось и нам
только несколько rалактик. Как выяснилось позже, Солн
це движется BOKpyr центра наIIIей rалактиии со CKO
ростью около 250 км/с, и бблыIIяя часть «скоростей при...
ближения» этих нескольких ближаЙIIIИХ rалактик связа...
вы именно с тем:, что Солнце сейчас ДВИiI-\ется и ЭТИМ
объектам.
Итак, rалантики соrласно Слайферу удалялись от Ha
IIIей rалактики. Линии в их спектрах были смещены R
нрасному концу. Это явление получило название крас...
Boro смещения.
Некоторые астрономы пытались обнаруwiить зависи
мость между изм:еренными Слайфером лучевыми скоро...
стлми rалактик и расстоянием до них. Как мы помним
( см. формулу (5.3)) , при однородном раСIIIирении CII
сте:мы rалактик их _ скорости удаления должны быть про--
порциональны расстоянию. Но ведь расстояния rалантик
тоrда не были известны! Астрономы пытались обойти
эту трудность слеДУЮЩИl\tI образо:м. ПреДПОЛОiКИМ, что
размеры rалактик приблизительно одинаковы. Тоrда чем
далыIIe rалактика, тем: меныIIe должен быть ее види:мый
уrловой диам:етр. Таким образом, видимый уrловой диа
29

метр м:ожет СЛУjI\ИТЬ своеобразным ИВДИRатором расстоя
ния, хотя истинное значение расстояния и остается He
изве.стным.
В 1924 r. К. Вирц обнаружил, что чем меньше уrло
вой диаметр rалантини, тем в среднем больше ее снорость
удаления, хотя полученная зависимость и была очень
нечеТRая. Вирц посчитал, что эта зависимость отражает
зависимость Mey сноростью и расстоянием и поэтому
свидетельствует в пользу осмолоrичесной модели де Сит
тера. О работе ФРИД?vlана К. Вирц, повидимому, ничеrо
не знал.

Однано известный шведсний астроном К. Лундмарн и
друrие астрономы, повторив работу ВИР,ца, ие подтвер'"
дили ero результаты. Теперь мы понимаем, что противо..
речия были связаны с тем, что линейные размеры ra..
лантин весьма различны, и поэтому их видимые уrловые
размеры не уназывают прямо на расстояние от нас: ra
лаНТИRа может быть видима маленьной не ТОЛЬRО по
тому, что она расположена далено, но и потому, что она
в действительности мала по размерам.
Для решения вопроса нужны были надежные м:етоды
определения расстояний до rалаНТИR. И тание методы бы...
ли созданы. Впервые это удалось сделать с помощью
пульсирующих звезд, :м:еняющих свою ярность, цефеид.
Эти переменные звезды обладают замечательной oco
бенностью. Количество света, излучаемое цефеидой,........ ее
светимость и период изменения светимости вследствие
пульсации тесно связаны. Зная период, можно вычислить
светимость. А это позволяет вычислять расстояние до
цефеиды. Действительно, измерив период пульсаций по
наблюдениям изм:енения блесна, определяем светимость
цефеиды. Затем из:меряется видимый блеСR звезды. Ви...
димый блесн обратно пропорционален нвадрату расстоя
ния до цефеиды. Сравнение видимоrо блесна со свети
мостью позволяет найти расстояние до цефеиды.
Цефеиды были отнрыты в дрyrих rалантинах. Pac
стояния до этих звезд, а значит, и до rалаНТИI{, в "Rрторых
они находятся, оназались rораздо ббльшими, чем размер
нашей  собственной rалантини., Тем самым было OEOH
чательно установлено, TO rалаНТИRИ  это далеRие звезд...
ные системы, подобные нашей.
Для установления расстояний до rалаНТИR, помимо цe
феид, YiHe в первых работах ПР!lменялись и друrие
методы. Одним из таних методов является использование
ярчайших звезд в rалаНТИRе наи ИНДИRатора расстоянй.
30

Ярчайшие звезды, ПОПИДИl\JIО:МУ, ИIеIОТ одипаКОВУIО еве..
ТИIvl0СТЬ и В нашей rалактике, и n друrих rалактиках,
и по этой «стандартной» величине :можпо определять
расстояние. Но ярчайшие звезды имеют БОJ1ЬШУЮ свети
мость, чем цефеиды, MorYT быть видны с ббльших pac
стояний и являются, таКИЬf образо?tI, более мощным ин
дикатором расстоянии. Расстояния до целоrо ряда rалаR
тин были определены э. ХаббJIОМ.
Сравнение расстояний до rалактик со скоростями их
удаления (скорости были определены еще Слайфером и
друrими астрономами и толь u
:ко исправляли:сь с учетом t
движения Солнца в rалак .D"
тике) позволило э. Хабблу g
установить в 1929 r. замеча... 
u
тельную закономерность: чем
дальше rалактика, тем боль...
ше скорость ее удаления от
нас. ОIазалось, что сущест"
вует именно такая зависи...
мость между скоростью ya...
ления rалактики и расстоя
вием: до нее, какая предска
зывалась теорией расширяю
щейся Вселенной (см. фор
мулу (5.3) ) . Коэффициент
пропорциопальности Но в
этой формуле называют Te
перь постоянной Хаббла. Ин
декс «О» у Но означает, что значение постоянной Хаббла
относится н нашему времени t == t o .
rрафик зависимрсти сноростей удаления rалаКТИR ОТ
их расстояний, на основе KOToporo Хаббл вывел свой
закон, представлен на рис. 6 *). Соrласно этому rрафику
постоянная Хаббла Но  500 км/(с .l\lпк). Со времени
открытия Хаббла прошло около 60 лет. Неизмеримо B03
росла }IОЩНОСТЬ астрономических исследований, и эти
и.сследования подтвердили закон Хаббла (5.3)  заRОП
пропорциональности скорости удаления rалактик их pac
стоянию. Однако оказаJIОСЬ, что значение коэффициента
r
о
. .",
",
./' .
. ", .
.
.- -
.""""
/"" :
У..
- .
-
-
.
1 2.
РаССТО1tние 7 МПК
Рис. 6. ПолучеlIная э. Хаб&.
лом зависимость между ско-
ростью удаления rалаКТИR и
расстоянием от нашей rалак",
ТИКИ
о
*) Разброс точен на rрафике  отклонение от прямой ли
вии  связан не толы{о с неизбеiКНЫМИ ошибками наблюдеН:lti.,
Во и с наличием у rалактин случайных СRоростей, помимо обп,:..,\й
скорости по закону Хаббла. <
31

пропорциопалыlстии 11о было Хабблом сильно завышено.
Соrласно современным оценна:м значение Но ПО,чти в де.,
сять раз меньше.
Причина TaHoro несоответствил кроется, нонечно,
в трудностях, связанных с измерением столь больших
расстояний. Оценни Хаббла расстояний до сам:ых далених
из исследованных Иl\i rаJlантин были занижены при:мерно
в десять раз. Тем из читателей, кто хочет подробнее
познаномиться с историей вопроса, мы реномендуеl\I ИН
тересную нниrу ю. Н. Ефремова «В rлуб:цны Вселен..
ной» (М.: Науна, 1984). Здесь l\fЫ подчерннеl\l, что уна..
ванные трудности столь велини, что и сейчас постоянная
Хаббла известна с неопределенностью примерно вдвое.
Разные специалисты дают для нее значение меiI\ДУ Но ==
== 100 -+- 50 нм/ (с · Мпн). В книrе для вычислений мы
будем использовать значение
Но == 75 км/ (с . Мпн)', (6.2)
помня, что возможная поrрешность l\tl0жет достиrать 30%.
Если величина Но известна не очень надежно, то са..
ма форма зависимости v == Hor, т. е. то, что CHOpOCTЬ
прям:о пропорциональна расстоянию, напротив, установ...
лена очень. хорошо. Это заслуrа не одноrо поноления
астроно:м:ов.
В первой работе Хаббла 1929 r. максимальные сноро",
сти удаления были ОI{ОЛО 1200 км/с, что соответствует
z  0,004. Мы теперь знаем, что rалантини, использован..
ные Хабб.лом, находятся n БЛИiI\айших наrпих OHpe
стностях.
Естественно, астроно:м:ы пытались проверить занон
Хаббла для больших расстояниЙ. Для этоrо нужно было
иметь индинаторы расстояний rораздо более мощные, чем
переменные звезды  цефеиды или ярчайшие звезды,
рассмотренные нами выше.
В 1936 r. Хаббл предложил использовать в качестве
таких индинаторов целые rалаНТИRИ. Он исходил из сле..
дующих соображений. Индинатор расстояний должен об..
ладать определенной финсированной светимостью. TorAa
види:мый блесн будет служить УI\азателем расстояния.
Отдельные rалантини не MorYT служить индикатором: рас..
...
стоянии, тан как светимость отдельных rалантик весьма
различна.. Например, наша rалантина излучает энерrии
нан десять миллиардов СОЛНЦ. Имеются rалактики, KOTO
рые светят в сотни раз слабее, но есть и тание, которые
. светят в десятни раз сильнее. Предположим, что есть
32

верхняя rраница полной светимости отдельных rалактик.
Тоrда в боrатых скоплениях rалактик, содержащих ты...
сячи членов, ярчайшая rалантика с очень большой веро...
ятностью должна иметь светимость оноло этоrо BepXHero
предела, Т. е. иметь стандартную светимость, одинаковую
Iдля любоrо бол.ьшоrо скопления. Ярчайшие rалактини
больших скоплений являются, следовательно, эталонами,
подобными цефеидам.
Видимый блесн этих ra.. Z
лаНТИR можно исполь... 0,75
зовать как указатель 0,50
расстояний. Чем дальше
б 0,215
скопление, тем сла ее
блеск. Далее, если неиз..
0,10
вестно точное значение
светимости ярчайшей 0,05
rалактики, и нельзя вы..
числить само расстоя..
яие, то можно все же
проверить форму занона o,o
Хаббла v == Hor  про..
порциональность скоро..
сти расстоянию  хотя
значение коэффициен"
та Н о будет неизве...
стно.
Начиная с работы
Хаббла для проверки от..
Rрытоrо им закона строится зависимость между красным
смещением z скоплений rалактик и блеском ярчайшей ra..
лактики скопления *) вместо зависимости красное см:еще..
ние  расстояние. Остается добавить, что в астрономии
блесн небесных светил измеряют в звездных ве.личинах.
Выбор таких единиц историчен. Средний блеск двадцати
наиболее ярких звезд неба принят за соответствующий
1й звездной веЛИЧИJ:lе, звезды 2й величины в 2,512 раза
слабее, 3й  еще в 2,512 раза слабее и т. д. Слабейшие
звезды, видимые невооруженным rлазом, 6й величины.
Разумеется, с помощью крупных телескопов получают
спектры звезд и rалактик, rораздо более слабых, чем
6й звездной величины. Самый крупный 6метровый теле..
скоп СпециаЛЬ!IОЙ астрофизичесной обсерва тории на Се...
о
о
1
. 
с:
eaI,.,1
. /"iIC.
о .
80.'
.
е .
.е
.0.
.-
. -.{< .
.
10 12 14 16 18
Вuоина;; з8езоная 6еЛUl/l!на
Рис. 7. Зависимость KpaCHoro сме-
щения z ярчайших rалаКТИR СRОП"
лений от их видимоrо блеска (по
данным работы r. Тамманна, А. Сэн--
диджа, А. Яхила, 1979 r.)
*) Сам Хаббл использовал пятую по ЯРRОСТИ rалактику
СI{опления.
· 3 и. д. НОВИRОВ
33

верном КаВRазе позволяет реrистрировать объеRТЫ ДО
24й звездной величины и даже существенно более слабые.
Итан, в Rосмолоrии исследуется заВИСИIОСТЬ звездная
величина т  красное смещение z ( точнее, log z) для
ярчайших rалаНТИR СRоплен:ий. Такая зависимость пред
ставлена на рис. 7. Мы видим, что rрафИR на рисупне
действительно прямолинеен и это надежно подтверждает
открытый ХаббЛО1 занон расширения Вселенной.
7. ДВЕ ВО3МОЖНОСТИ
. После нашеrо знаномства с тем:, нап была
отнрыта взрывающаяся Вселенная, и с совремеННЫl\IИ из
мерениями снорости ее расширения давайте вернемся к
проблеме, поставленной в разделе 5, и попытаемся отве..
тить на вопрос: наново же значение А в фор:муле (5.1),
а значит, и накова будущая судьба нашей Вселенной?
Для решения этоrо вопроса подставим выражпие для
снорости rраницы шара по занону Хаобла Vo == HoRo в
выражение (5.1) и найде{ из Hero А (используя (5.3):
8 2 ( 3H )
А === 3 лGR о 8nG ......... РО 
(7.1)
ро ......... сеrодняшнее значение средней плотности во Вселен--
ной. Для нас baj-RНо установить, больше ли нуля А или
меньше. Из (7.1) мы видим, что ответ на этот вопрос
определяется знаком разности, стоящей в снобках. Ес..1IИ
3Н/8лG больше Ро, то и А больше пуля. В противном
случае А отрицательно. Выражение
зн2
Ририr:v === 8л (7.2)
получило название критической плотности. Тап нап пас
интересует значение нритической плотности в сеrОДНЯПI
пей Вселенной, то для ее вычисления надо использова ть
сеrодняшнее значение но. Теперь мы мол,ем сФормули,
ровать паш вывод следующим образом: если средняя
плотность вещества во Вселенной Ро меньше критичесноii,
то А > О и Вселенная будет вечно расширяться; если
же знан неравенства обратный, то в будущем расширение
сменится сжатием.
Каново же значение нритичесной плотности? Преоб
разуем единицы измерения Н о. Для этоrо УМНОiIQИМ Н о ===
== 75 им/ (с · Мпн) на Rоличество саНТИl\lетров в километ
34

ре {1 05) И разделим на Rоличество сантиметров в Mera...
парсеRе (3 '1024). Онончательно получаем
Н "" 1
о "" 17.
4.10 с
Подставляя (7.3) в '(7.2), находим РИРИ1'  1029 r/см З .
Теперь мы можем сформулировать следующую важ...
нейшую задачу наблюдательной Rосмолоrии: RaRoBa cpeд
няя плотность всех видов физичесной материи во Bce
пенной? И самое rлавное: больше ли эта средняя плот
ность Rритичесноrо значения или меньше?
Мы не случайно оrовор;ились, что речь идет именно
о плотности всех видов физичесной материи. Дело в том,
что у астрономов есть весние основания считать, что,
помимо видимых звезд и rазовых туманностей, собранных
в rалаRТИRИ, BOHpyr rалактик и в пространстве между
ними есть MHoro невидимой или очень трудно наблюдае
мой материи. Тан RaH тяrотение создается всеми видами
материи, то учет невидимой материи в общей плотности
вещества совершенно необходим для.. решения вопроса о
будущей судьбе Вселенной.
(7.3)
8. «ОДНА ТОЛЬКО ВИДИМОСТЬ»
Еще лет двадцать назад астрономы считали,
что Вселенная в самых больших масштабах  это им:ен...
но мир rааНТИR и их систем. Изучая нашу звездную 00"
стему, rалактику, они устаНQВИЛИ, что в пределах ее ви"
димых rраниц почти все Вfщество сосреДQточено взвез..
дах. Bcero rалаКТИRа содержит 200 миллиардов звезд.
Общая масса этих звезд 1,5 .1011 М0 (М0 == 2 . 1023 r 
масса Солнца). rаз и пыль между звездами дают к это..
МУ совершенно не значительную добаВRУ (около 2 О/о ) .
Rазалось, что и друrие rалаНТИRИ (рис. 8)' в основном
состоят из светящихся звезд, а пространство между ra
лантинами практичеСRИ пусто. rалаКТИRИ собраны в rруп....
пы и СRопления (рис. 9) разных масштабов, образуя яче...
истосетчатую крупномасштабную структуру Вселенной
(рис. 10). Размер типичных пустых областей, в ЕОТОрЫХ
rалантик мало или COBceI нет, около 3040 Мпк. Рас..
стояния между Rрупнейшими свеРХСRоплениями rалаКТИR
(находящимися в узлах ячеистой СТРУКТУРЫ) MorYT быть
100300' МПR. В еще больших масштабах светящаясн
материя в виде rалаRТИН и их СRоплений распределена
примерно однородно. raRoBa общая величественная кар..
. 

тина распределения в пространстве звездных островов 
rалактикJ
Кап мож\но определить усредненную по столь боль...
тим масштабам среДНЮIQ плотность вещества, Rоторая
Hal\I нужна для решения Rосм:олоrической проблемы?
Рис. 8. Спиральная rалаI(тика
Если вся материя действительно сосредоточена в CBe
тящихся rалактиках, то для этоrо надо подсчитать общее
число rалаКТИR в достаточно большом объеме, затем оп
ределить массу средней rалактики. Помножив эти числа
друr на друrа, м:ы получим полную массу вещества в
данном объеме, а поделив ее на этот объем, получим
интересующую нас среДНЮIО плотность РО.
Так астрономы и поступали'. При 3.ТОМ: прежде Bcero
необходимо было найти массы отдельных rалакrrин. Кан
это делается? Если на краю rалаКТИRИ имеется Rакой
либо объект, движущийсн по приблизительно нруrовой
орбите под действием ТJ}rотения массы rалактини, то CKO
рость ero движения (первая RосмичеСRая скорость) оп
ределяется по формуле 
l/ GM '
VIR === У Т';
(8.1)
rде. м  масса, заключенная внутри орбиты радиуса R.
Измерив 1) и R, определяют М. Круrовые движения cy
ществуют в rалактинах спиральноrо типа .( Cl\I. рис. 8).
36

Рис. 9. Скопление rалактИR
Рис. 10. Ячеистая структура крупномасmтабноrо распределения
rалактик
37

в друrих rалаКТИI{Х, так называемых эллиптичесних
(рис. 11), звезды' ДВИiIУТСЯ почти хаотически. l\lacca Ta
них rалактин опреде.ляется по (8.1), только теперь v 
средняя скорость звезд в rалактике, а R  ее pa3Iep.
Рис. 11. Эллиптическая rалаКТИliа
Надеiкное определение усреднепной по большим объ,
емам плотности вещества, входящеrо в rалактики, было
сделано около 30 лет назад rОЛJlандским астрономом
я. OOpTOl\I. Мноrочисленные работы в ЭТОl\I направлении,
проделанные с тех пор, подтвердили ero результат. Он
получил следуюrцее значение уредненной плотности:
Рrал  3 . 10З1 r/cM 3 . (8.2)
Эта величина заметно меньше критической ПJIОТВОСТИ
(7.2). Отношение р/ РНРИТ принято обозначать буквой Q.
Таким образом, Qrал == Рrал/ Ркрит  0,03.
Если BO Вселенной нет заметных количеств материи
между rалактиками, которая почемулибо не видна, то
ро  Рrал «РНРИТ И Вселенная всеrда будет расширяться.
Однако, как уже было сказано, есть основания счи
тать, что наблюдаемые НМИ rалактики еще далеко не
все, что имеется во Вселенной. Более Toro, невидимая
масса, вероятно, составляет основную часть Вселенной.
Таким образом, весьма возможно, что непосредствен-.
НО наблюдаемые в телескопы великолепные узоры rи.
rаНТСRИХ rалактических миров  это лишь жалная малая
видимая часть истинной невидимой струнтуры :м:ира.
Невидимые массы Вселенной получили название CKpЫ
той массы.
38

9. СКРЫТАЯ МАССА
Кап возникли подозрения о сущеСТjJовапии
C1-\рЫТОЙ массы?
Важнейшие наблюдательные данные об этом сводятся
1-\ следующему. С помощыo радиотелескопов наблюдаЮТ4
ся движения спутнинов отдельных rаJIактик (ими явля
ются маленькие rалактики) или двитения rазовых обла..
ков. Эти объекты часто движутся на расстояниях далеIО
за видимой rраницей rалактики (очерченной массой CBe
тящихся звезд), rде, казалось бы, никакой материи в
заметных количествах уже нет. Тем не менее вычислеп
пая по этим наблюдениям: масса той или иной rалаКТИIИ,
BOKpyr которой наблюдались такие движения, оказыва..
лась иноrда раз в десять больше, чем определенная по
двилению звезд на видим:ой rранице rалактики. Это зна..
чит, что BOKpyr видимоrо тела rалактики имеется Iакая..
то невидимая корова, содержащая оrро:мные массы. Тя..
rотение этих' масс HIJKaK не сказывается на движении
ввезд rлубоко внутри короны на краю видимой rалак--
тики, .T8.R как мы знаем, что сферическая оболочка внут--
ри себя тяrотения не создает (см. раздел 2), но эти
массы влияют своим тяrотением на движение тел на ок"
раинах короны и вне ее. 
Еще ббльшие скрытые массы имеются в межrалакти"
ческом 'пространстве в скоплениях rалактик. В таких
скоплениях rалактики двищутся хаотически. Поэтому
астрофизики сначала измеряют скорости отдельных ra..
лактик, затем, после нахождения средней скорости, по
формуле (8.1) вычисляют полную массу скопления, соз..
дающую общее поле тяrотения, которое разrоняет дви",
жущиеся в нем rалактики. Разумеется, эта масса вклю"
чает все вещество........ и ВИДИl\fое, и невидимое. И вот
оказывается, что иноrда полная масса. во мноrие десятки
раз превышает суммарную светящуюся массу всех ra
лактик в скоплении. "
Ясно, что существование скрытой :массы кардинально
меняет нашу оценку общей усредненной плотности всех
масс Вселенной. Если учет только видимоrо вещества да..
вал Qrал == рrал/ркрит  0,03, то учет скрытой массы по
Еытает это отношение до QCl(p.Maccbl  0,2 + 0,7. Возможно,
что есть скрытая масса и между скоплениями rалактик.
Ее обнаруживать особенно трудно. Но если это тап, то
не исключено, что полная средняя плотность ро равна
критической плотности или' даже неснолько больше.
39

Таиим образо:м, пока нельзя СI\азать, больше' ли истин...
ная плотность всех видов вещества во Вселенной, чем
критическая П.лотность, или нет. Значит, :м:ы пона не :MO
тем сказать определенно, будет ли Вселенная расши
ряться неоrраниченно или же в будущем она начнет
с}киматься.
Что представляет собой снрытая масса? IIадо прямо
сказать, что физичесная природа снрытой массы пока He
ясва. Частично эта масса может быть обусловлена or...
ромным числом слабо светящихея и поэтому практически
невидимых издали звезд или друrих несветящихся не..
бесных тел. Однако вероятнее, что скрытая масса явля'"
ется своеобразным реликто:м: тех физических процессов,
ноторые протекали в первые мrновения расширения Bce
ленной. Скрытая масса, возможно, является совонуп
постью большоrо числа элементарных частиц, обладаIО
щих массой покоя *) и слабовзаимодействующих с обыч
ным веществом. Теория предсказывает возможность
существования таких частиц. Ими MorYT быть, напрЦtIер,
нейтрино, если они обладают массой покоя. Обо всем
этом мы в дальнейшем будем rоворить подробно.
10. КРИВОй МИР
Теперь мы должны вернуться к проблеме
построения кос:м:олоrических :моделей. Читатель, HaBep
ное, помнит, ЧТО, в разделе 2 мы rоворили о необходи...
мости обращаться н ОТО, коrда рассматривае:м очень
больше объемы пространства, и что при этом может
проявляться «искривленность» TpeXMepHoro пространства.
Здесь возникают в перВУIО очередь два вопроса: что
такое «искривленность» пространства и в каких KOHK
ретно масштабах надо уже использовать ОТО и вспо",
минать об иснривленности?
Начнем с первоrо вопроса. Искривленностью про
странства называют отличие ero свойств от описываемых
rеометрией Евклида, которая изучается в школе./ Воз
:можность нееВI<ЛИДОВОЙ rеометрии была открыта, велики
ми математинами прошлоrо века Н. и. ЛобачеВСКИI,
Я. Больяи, Б. Риманом, Н. rayccoM.
*) Массой покоя называется масса покоящейся частицы.
Вспомним, что масса зависит от энерrии, а значит, и от СI\ОрОСТ:И
частицы. Есть частицы, У которых нет массы покоя. Пример Ta
RИХ частиц  фотоны. Они не MorYT IIОКОИТЬСЯ и всеrда движут
ся со скоростью света с,
40

Что такое пее;О:Клидова rеометрия? Если обратиться
R планиметрии, то, о:казывается, понять зто чрезвычайно
просто. Евнлидова rеометрия изучает свойства rеометри
ческих фиrур на плос:кой поверхности, неев:клидова reo
метрия изучает свойства фиrур на ис:кривленных поверх
ностях, например на сфере или, с:кажем, на седлообраз
ной поверхности. На та:ких иснривленных поверхностях
уже не может быть пря:м:ых линий, и свойства rео:метри
ческих фиrур иные, че:м на плос:кости. Прямые линии
заменяются здесь линиями, ноторые являются :кратчай
шими расстояниями между точками. Они называIОТСЯ
rеодезичес:кими линиями. На сфере, например, rеодези
tчес:кие линии  это дуrи больших RpyroB. Примером их
MorYT служить меридианы на поверхности Земли. На
сфере мы можем чертить треуrольники, стороны :КOTO
рых являются rеодезичес:кими, рисовать о:кружности,
можем изучать их свойства. Все это леrно себе пред
ставить.
Трудности с наrлядным представлением возни:кают
тоrда, коrда :мы обращаемся уже не к двумерной поверх
ности, а :к неев:клидову трехмерному пространству. В Ta
ном пространстве свойства призм, шаров и друrих фиrур
отличаются от тех, что мы изучали в школе. По анало
rии с поверхностями мы можем сказать, что такое про--
странство ис:кривлено. Однако эта аналоrия вряд ли по
может нам представить наrлядно искривленное TpeXMep
вое пространство. Мы живем в трехмерном пространстве,
выпрыrнуть из Hero не можем (та:к
нак вне пространства ничеrо нет)',
поэтому нельзя спрашивать: «В чем
изrибается наше реальное простран
ство?» \CYTЬ кривизны пространства
заКЛlочается в изменении ero reo--
метрических свойств по сравнению
со свойствами плоскоrо простран--
ства, rде справедлива rеометрия
ЕВRлида.'
Кап измеряется искривленность? Рис. 12. ТреуrОЛЬНИR
Начнем опять с искривленной по на сфере
13ерхпости. Пусть это будет сфера ;-
(ис. 12). Чем характеризуется испривленность сферы?
Разумеется, ее радиусом l. (Для обозначения радиуса мы
выбрали букву l, чтобы не путать рассматриваемые здесь
величины и. понятия с шаром из предыдущих разделов
и ero радиусом R.).
41

А в че:м:, в каких свойствах фиrур на сфере прd'яВЛЯ'"
ется ее искривленность? Например, в следующем факте.
Если на сфере мы начертим треуrольник rеодеаическими
ливиями, то, RaH: видно иа рисунка, сумма уrлов этоrо
треуrолъника будет больше 11: (или, что то )ке, 1800).
Это следствие «выпуклости» сферы. Чем больше тре...
уrольник, тем больше отличие суммы уrлов треyrольни'"
ка  от n. Можем ли мы по этому отличию определить
степень искривленности сферы........ вычислить e радиус?
Оказывается, да. Для этоrо надо поделить разность
........ n на площадь треуrольника В. Полученная вели
чина оказывается равной 1/l 2 . Ее называют кривизной и
обозначают с. Ясно, что чем меньше радиус l, тем боль...
те искривленность сферы, тем больше С, ее характери...
аующая. В случае любой искривленной поверхности ее
кривизну определяют аналоrичным образом. В общем слу
чае поверхность может быть искривлена поразному в
разных точках. Поэтому для определения кривизны в
данном месте треуrольники выбирают маленькими (Ma
тематик сказал бы........ «сколь уrодно малыми»). Итак,
всеrда
Lп
с=== .
s
(10.1 )
Корень квадратный из 1/С называют радиусом кривизны
в данной точке поверх...
ности:
l  v   n '
( 10.2)
Существуют поверхно
сти, на которых Tpe
уrольники выrлядят co
всем не так, как на сфе...
ре (рис. 13). На такой
седлообразной поверх...
Рис. 13. Треrольник на седлообраз ности сумма уrлов тре..
нои поверхности уrольника меньше n.
Значит, соrласно фор...
муле (10.1) С < о. Здесь кривизна отрицательна. Радиус
кривизнь!, вычисленный по (10.2),........ мнимый. Степень ис..
нривленности характеризуют абсолютной величиной l.
ивизна TpexMepHoro пространства  понятие более
сложное. Но нас интересует простой случай однородной
'iI изотропной Вселенной. Здесь кривизна пространства
42

хараRтеризуется таRже ОДНИМ числом  привизной, ио--
торая определяется тап же, иаи и для поверхности.
В данном случае l называют радиусом RРИВИЭНЫ пр<r
странства.
Чем те определяется отличие rеометрии пространства
Вселенной от еВRЛИДОВОЙ rеометрии? Теория Эйнштейна
ОТО утверждает, что rеометрию определяет движение
материи и ее тяrотение. Мы, разумеется, не будем сколь...
нибудь подробно рассматривать выводы ОТО, а приведем
только формулу, Rоторая позволяет вычислить радиуо
RривизныI пространства l!
l =::11 ..:... V Ририт (10.3)
н Р Р -.
 ирит
(с  сиорость света, Н  постоянная ХабблаJ.
Это и есть та недостающая формула, о RОТОрОЙ мы
упоминали в разделе 2 и поторая позволяет закончить
построение RосмолоrичеСRОЙ модели. Теперь мы можем
ВЫЧИСЛ'lть ие ТОЛЬRО динаМИRУ Вселенной по формуле
(2.1), но и RрИВИЗНУ пространства по формуле (10.3)'.
Система из этих двух уравнений (вместе с уравнением
состояния вещества  зависимостью давления в веществе
от плотности и температуры) и определяет Rосмолоrиче
скую модель.
Мы видим, что разность Р  РНРИТ самым существенным
образом влияет на rеометрию. Если Р > РНРИТ  Rривизна
положительна; если Р < РНРИТ  радиус l  мнимый и RрИ
визна отрицательна. В этом последцем случае йскрив--
ленность хараRтеризуется, пан мы уже rоворили, MOДY
лем величины l.
В эволюционирующей Вселенной плотность р и по--
стоянная Хаббла Н меняются с течением времени. По--
это:м:у изменяется и радиус RРИВИЗНЫ l. Одваио знаR при--
визны (т. е. положительна С или отрицательна) не из...
:меняется на протяжении всей эволюции. Радиус привиз--
вы меняется со BpeeHeM по тому же запону, что и
радиус paccMoTpeHHoro нами 1} разделе 5 шара. Поэтому
rрафики рис. 35 MOryT слу)Кить одновременно и rpa
фиками для изменения с течением времени величины l.
Если Р < РНРИТ, то 1 равна нулю в начале расширения
и затем неоrраниченно нарастает. Для р > РНРИТ величина
l растет начиная от нуля, достиrает маRСИМУМа.аи снова
убываО1; до нуля.
1\ каким следствиям ведет ИСRривленностЪ простран..
ства? '
48

Если мы рассматриваем сравнительно малые области
пространства с раз:мерами MHoro меньше радиуса нри
визны l, то отличие rеометрии от евнлидовой незаметно.
Канова величина lo в сеrодняшней (инденс «О») Bce
ленной? Разумеется, определенно ответить на этот воп
рос нельзя, тан нак ни Но, ни Ро, ни разность Ро  РКРИТ
точно неизвестны. Но е-сли предположить, что, например,
ро :а= 2ркрит, то lo  4 . 109 пн. Это, нонечно, orpoMHoe рас....
стояние. И если обращаться к таним масштабам, то
здесь мы сталниваемся с удивительным обстоятельством.
Чтобы понять 'суть HOBoro явления, вернемся снова к
искривленным двумерным поверхностям.
Возьме:м: нусочеI.\ плосности. Если м:ы будем добавлять
R нему соседние части плоскости все большеrо 9 азме ра,
то получим всю плоскость, неоrран:иченно простирающую
ея в бесконечность.
Выделим теперь на поверхности шара маленьний HY
сочен. Если он очень мал, мы даже не заметим ero исн
ривленность. Добавим теперь н этому нусочну соседние,
охватывая все бблыпие области. Теперь иснривленность
уже заметна. Продолжая эту операцию, мы увидим:, что
наша поверхность изза нривизны замынается сама на
себя, образуя замннутую сферу. Нам не удалось про.....
должить иснривлеННУIО таним: обраЗОl\1 поверхность He
оrраничено до беснонечности. Она замннулась. Сфера
имеет нонечную площадь поверхности, но не имеет rpa
ниц. Плоское существо, полз.ущее по сфере, ниноrда не
встретит нрая, rраницы. Но сфера не беснонечна!
Мы 'наrлядНО видим, что из....эа замкнутости поверх
ность может быть безrранична, но не бесконечна.
Обратимся к трехмерному пространству. Оказывается,
ero иснривленность может быть подобна искривленности
сферы. Оно может заl\Iыкаться сам:о на себе, оставаясь
безrраничным, но НQнечным по объему (подобно TOfY,
нак сфера нонечна по площади).
Конечно, наrлядно представить такое пространство
крайне трудно, но оно мотет быть. Для этоrо средняя
плотность вещества во Вселенной должна быть больше
критичесной. В этом случае пространство о:казываетсн
новечным:, замннутым; таную модель называют закрытой.
Если средняя плотность вещества во Вселенной равна
критической, то l === 00 и rеометрия пространства ев Rли....
дова. Такое пространство называют плосни:м. Оно про....
стирается во все стороны до беснонечности, и обrьем
ero бесконечен.
44

Наконец, если плотность вещества меньше Rритиче...
ской, то rеОМ0ТРИЯ пространства тоже ис!\ривленная.
Но в этом случае rеометрия подобна уже не rеометрии
в-а сфере, а rео:метрии на седлообразной поверхности.
Это пространство также пеоrраниченно простирается' ВО
.все стороны, не замы!\ается. Ero объем бес!\онечен. Та....
кую модель Вселе)IНОЙ называют отнрытоЙ,
Канов же наш мир? Напомним, что до сих пор неиз...
вестна надежно средняя плотность вещества в простран
стве, неизвестно, больше она !\ритичес!\ой или меньше.
Поэто:м:у неизвестно, отнрыта ли наша Вселенная или
sа!\рыта.
Идея воз:м:ожности за!\рытоrо :мира с заJ\I!\НУТЫIVI про....
странством, !\онечно, очень необычна. Как и идея эв о....
люции Вселенной, эта идея с трудом пробивала себе
дороrу. Возраения против нее отчасти были обусловле....
вы все той же инертностью l\Iышления и предвзятыми
соображениями, а отчасти и недостаточной образоваН....
ностью стороннинов утверждения, что тольно бес1}оНеч....
ный объем пространства сов:мести:м с материализмом.
Ни!\а!\их идеалистичесних выводов из фа!\та возмож....
ности зам!\нутости пространства, !\онечно, не следует.
Подобные споры ушли в прошлое, и дело за наукой...........
определить истинную структуру мира.
Искривленность пространства определяется степеныо
отличия плотности материи от !\ритичес!\оrо значения.
Чем сильнее отличие, те:м: больше искривление. На.блю....
дения показывают, что если плотность материи и отли....
чается от !\ритической, то не очень сильно и искривлен....
ность с!\азывается только на оrромных расстояниях во
1tfноrие миллиарды парееков. В замннутом пространстве
Вселенной кратчайшая линия  rеодезичесная  оназы....
вается замннутой, подобно большому Hpyry на сфере
(например, подобно э!\ватору). Мысленно скользя вдоль
TaKoro пути, :мы возвращаемся в исходную точ!\у, точно
та!\ же, нан, двиrаясь по Э1\ватору и обойдя Землю, при
ходим в исходный пункт Hamero путешествия. Полная
длина такой за:мкнуrrой линии 2лl. 
,Возможно, будущие наблюдения покажут, что плоТ....
ность веlцества больше критической и Вселенная зам!\
нута. В этом случае объем Вселенной конечен, но все
же orpO:MeH, раз:меры Вселенной колоссальны. Длина
u U
«э!\ватора»  rеодезическои линии, охватывающеи в.ею
Вселенную, ни!\аR не :меньше нескольких десятков мил....
лиардов парсенов, а вероятно, rораздо больше.
45

Конечно, есть не меньше оснований отидать, что
плотность nещества во Вселенной не превышает крити...
ческую и объем Вселенной бесконечен.
Однако сейчас мы увидим, что различие между от...
:крытой и 'закрытой Вселенной не столь драматично, как
ОТО кажется с nepBoro взrляда.
t 1. ВО3Р АСТ ВСЕЛЕПНОИ
Каков промежуток времени, отделяющий
вас от начала расширения, Rоrда плотность р была равна
бесконечности?." Ес.1JИ известны из наблюдений Но и А,
ТО можно решить уравнение (5.1) и точно определить
этот промежуток t o . Но беда в том, что точно неизвестны
ни Но, ни сеrодняшняя средняя плотность Ро, которые
нужны для расчета А. Поэтому «точность» вычислений
t o была бы иллюзорной. Учитывая сназанное, мы oцe
ним величину t o приближенно, без каких бы то ни БЫJlО
добавочных решений уравнений.
Для наших целей подсчитаем, за какое время rраниц
выбранноrо нами шара (см. рис. 1) расширилась бы от
R :::::: О до сеrодняшнеrо значения Ro, если бы она дви
rалась с постоянной скоростью, равной сеrодняmней УО.
ЭТО вре:мя есть Rolvo. Вычисленный так промеж,tyток вре...
мени и будет нашей оценкой t o . Разумеется, мы несколь...
ко ошибаемся. делая таную оценку, поскольну в прош...
лом скорость rраницы шара была больше (разлет веще
ства тор:мозится тяrотением;) . Однако ошибка будет
небольшой, если плотность вещества сеrодня не слишном
превосходит критическую, и поэтому торможение тяrоте...
нием не очень велино (а мы знаем из наблюдений, что
тан оно и есть}. И тан, приближенно t o  Ro/vo. Если
вместо V o подставить формулу Хаббла V o === HoRo, то по...
лучи м: простое соотношение
t o  1/Н о . (11.1)
Используя выражение (7.3) для Но, находим
t o  4.1017 С  1,3 .1010 лет. (11.2)
Имея в виду приближенность нашей оценни, следует
сказать, что t o заключено в пределах (10 + 20) .109 пет.
Величину t o называют кратко (и образно!) возрастом
Вселенной.
Вселенная начала расширяться около 13 миллиардов
лет назад. Значит, во Вселенной не может быть объ--
46

ектов, более старых, чем 13 миллиардов лет, не может
быть источников, которые cBeTH'f дuльше 13 МИJIлиардов
пет. Это обстоятельство ведет к важнейшему следствию..........
R наличию rоризонта видимости во Вселенной. Чем даль..
те от нас находится rалактика, тем больше времени
потребовалось свету, чтобы достичь наблюдателя. Свет,
}(оторый сеrодня достиrает наблюдателя, покинул rалак...
t.rику в далеком прошлом. Свет, вышедший из Rakoro--
либо источника даже вскоре после начала расширения
мира, успеет пройти лишь конечное расстояние во Все--
денной  около 13 миллиардов световых лет, т. е. около
5 миллиардов парсеков *). Точки пространства Вселен...
пой, лещащие от нас на этом расстоянии, называют ro...
ризонтом видимости. Области  Вселенной, лежащие за ro--
ризонтом, сеrодня принципиально ненаблюдаемы. Мы ие
можем увидеть более далекие rалактики, каКИl\fИ бы те.-
лескопами мы ни наблюдали, свет от rалактик изsа
rоризонта просто не успел до нас дойти. Красное см&-
щение света неоrраниченно нарастает, Rоrда мы наблl()...
даем объект, лежащий все ближе и ближе к rоризонту.
На самбм rоризонте оно бесконечно. ТаRИМ образом, мы
можем видеть только конечное число звезд и rалактии
во Вселенной.
До создания теории расmиряющейся Вселенной по--
пытки рассмотрения бесконечноrо пространства, равно...
мерно в среднем заполненноrо звездами, наталкивалисъ
на любопытный парадокс. Он заключается в следующем.
В бесконечной Вселенной, заполненной звездами, луч
зрения paHO или поздно встретит светящуюся поверх
ность звезды. В этом случае все ночное небо должно
сиять, нак поверхность Солнца и звезд. Парадокс полу...
чил название фотометрическоrо, и мноrие выдающиесн
умы ПЫ'rались ero разрешить.
После создания теории расширяющейся Вселенной
парадокс разрешился сам собой. В расmиряющейся Все...
ленной для наждоrо наблюдателя есть rоризонт види...
l\fОСТИ. Поэтому он видит конечное число звезд, весьма
редко разбросанных в пространстве. Нат взор, как пра
вило, скользит мимо них вплоть до rоризонта, не упира...
ясь ни в одну звезду. Поэтому ночное небо между ввез...
дами  темное. К тому же жизнь звезд оrраничена. Kor...
*) в действительности И88а эффектов теории относительно
сти в рзсширяющемся мире это расстояние неСI(ОЛЬКО больше, во
это несущеетвенно.
47

да мы наблюдае}I области вблизи rОРИЗ0нта, то ДОЛЖНЫ
видеть лучи, покинувшие эти области MHoro миллиардов
JleT назад (так долrо идет свет от них к нам)', а тоrда
еще вообще не было отдельных звезд, и поэтому наш
взор не может упереться в поверхность какойли
60 звезды.
rОрИЗ0НТ видимости делает для нас не столь суще...
ственной разницу l\Iежду закрытыltII и ОТКрЫТЫl\I :МИрОМ.
В обоих случаях мы видим оrраниченную часть Вселен...
ной с радиусо:м около 13 l\lиллиардов световых лет. В за
мкнутом мире свет не успевает обойти :м:ир к настоящему
врем:ени, И, :конечно, невозможно увидеть свет от нашей
собственной rалактики, обошедшей весь мир. Увидеть
«собственный затылок>} невозможно в замкнутой Вселен--
ной. Даже за весь период расширения, от синrулярноrо
состояния до Сl\rlены расширения Сiкатием, свет успевает
пройти ТОJIЬКО половину замкнутоrо пространства и лишь
на фазе сжатия сможет закончить полный- обход мира...
rоризонт видимости для каiIдоrо наблюдателя свой,
rде бы он ни был во Вселенной. Все точки однородной
ВсеJIенной равноправны. С течением времени rоризонт
Rаждоrо наблюдателя расширяется, R наблюдателю ус-
певает доходить свет от все новых областей Вселенной.
За 100 лет радиус rоризонта увеличивается на одну СТО--
миллионную долю своей величины.
Еще одно зам:ечание. Вблизи caMoro rоризонта мы в
принципе должны видеть вещество в далеком прошлом,
коrда плотность ero была rораздо больше сеrодняшней.
Отдельных объектов тотда не было, а вещество БЫJIО пе-
прозрачным для излучения.
12. ДИНАМИКА НАЧАЛА РАСШIIРЕПИЯ
МОДЕЛИ ФРИДМАНА
Наши rлавные интересы в этой книrе сосре...
доточены BOKpyr caMoro начала расширения Вселенной.
Поэтому сейчас мы постараемся подробнее выяснить, нак
менялась скорость расширения Вселенной вблизи самото
начала этоrо расширения. Для этоrо обратимся к форму...
ле '( 5.1), описывающей скорость расширения rраницы
рассматриваемоrо нами шара. Выпишем эту формулу еще
раз:
v == V2M + А,
48

Проследим, как мепялась снорость v В прошлом. PaHЬ
ше величина R была меньше, и поэтому скорость 1)
соrласно (5.1) была больше. Чем ближе к синrулярности
,.(R ---+- О), тем БОJlьше первое слаrаемое ПОД корнем в
(5.1). Это слаrаемое становится rораздо больше постоян--
ой величины А, и последней можно пренебречь. Сно"
рость v тоrда определяется выраi-непиеlfl
 V 2G jtl
v  II ·
(12.1)
Теперь с пом:ощью этоrо простоrо выражения для
скорости v м:ожно определить, RaH изl\tIеняетсл радиус R
шара с течениеl\'I времени. В результате несложных пре..
образований, ноторые м:ы здесь не станем приводить,
получается следующая формула:
R == ...3/ 9G 111 t 2
V 2 . (12.2)
Наконец, используя полученное соотношение, леrко
рассчитать изменение плотности р с течением вреl\'Iени.
Для этоrо делим массу шара М на ero объем V == 4/ зл R 3 :
1 8.105 ( 3 )
р== 2 == 2 rjCM. (12.3)
6лGt t
(Время t в формуле (12.3) должно быть выражено в
сенундах. )
Сделаем теперь одно уточнение. До сих пор, ноrда
мы решали механичесную задачу о движении м:асс, мы
считали, что давление Р вещества либо отсутствует вов...
се, либо мало. Однако в начале расширения, нав мы уви"
дим далее, температура и давление были оrромны. Как
это повлияет на наши выводы?
На первый взrляд большое давление нрайне важно.
Вспомним Rартину взрыва наRоrолибо заряда. При взры--
ве в :малом объеме выделяется большая энерrия. Это
:может быть, наприм:ер, химичесная энерrия или ядерная.
Вещество заряда испаряется и сильно наrревается. ДaB
ление наrретых rазов вызывает ero стремительное pac
ширение. Коrда мы обращаемся к началу расширения
Вселенной, невольно перед rлазами предстает только что
описанная- нартина. Не являются ли большая температу..
ра и давление причиной начала расширения Вселенной,
кан это имеет место в случае взрыва з-:rpяда? Нет, такое
заКЛlочение неправильно. Между двумя ЯВJlениями есть
весьма СУJцественное различие. При взрыве заряда есть
4 и. Д. НОВИКОВ
49

перепад давлений  orpOMHoe давление внутри rорлчи
rазов и сравнительно малое атмосферное давление сна..
ружи (если взрыв происходит в воздухе). Этот перепад
и создает силу, расшвыривающую вещество. Вспомним,
что тольно перепад давлений создает силу, а не саМо
давление, какое бы высокgе оно ни было (см. раздел 1)'.
Если бы снаружи взрывающихся rазов давление было
такое же, что и внутри, то, очевидно, никакоrо бы раз-
лета вещества не произошло. Плотность расширяющеrося
rорячеrо rаза неоднородна. Она :максимальна в' центре и
спадает к краям. В ходе разлета перепад давлений, свя"
ванный с перепадом плотности и температуры, создает
силу, подталкивающую разлетающийся rаз.
Ничеrо похожеrо нет в начале расширения Вселен..
вой. Вещество Вселенной однородно в пространстве, ни"
каких перепадов плотности и давления нет. Поэтому не
возникает никакой силы, которан моrла бы служить при....
чиной начала расширения. Следовательно, большое дав...
пение rорячеrо rаза не есть причина начала расширения
Вселенной. К выяснению причины мы обратимся далее.
Однако orpOMHoe давление все же не безразлично для
расширяющеrося вещества. Дело в том, что это давление
создает дополнительные rравитационные силы. Соrласно
ОТО в создании поля тяrотения участвует не тольно
1-IаССа вещества, но и все виды энерrии, давление и на-
тяжение, ноторые имеются в веществе.
Для вычисления rравитационноrо уснорения а по тео...
рии Ньютона в формулу (2.1) вместо :массы М надо
подставить произведение объема шара на ero плотность р:
4/ з лR3 р 4
а ===  G R 2 ===  3 лG pR. (12.4)
Соrласно ОТО дJtя вычисления а необходимо учесть, по...
мимо р, еще и давление Р, и тоrда, оказывается, фор...
мула (12.4) примет вид
а =:=  ; nG (Р + 3  ) R.
(12.5)
Конечно, в снольконибудь обычных условиях различи
между двумя формулами (12.4) и (12.5) ничтожно, так
как плотность р MHoro больше Р/с 2 . Тан, даже в Солнце,
rде внутри давление порядка Р  1016 дин/см 2 , а средняя
плотность р  1 r/смз, второе слаrаемое составляет 105ю
долю первоrо.
50

Но коrда частицы вещества при высокой температуро
движутся ('О скоростями, близкими к скорости света, то
Iщавление столь велино, что оба слаrаемых в (12.5) о д и..
lнаково важны. Для предельноrо случая материи, частицы
:кО'rорой движутся со скоростью света, давление связано
с плотностью выражением
Р 1 2
== "3"" ре ·
( 12.6)
Такое вещество называют релятивистским. Из BыpaH\
пия (12.5) видно, что давление создает дополнительное
.
поле тяrотения.
Кан это снажется на динамине расширяющеrося в е...
щества? Мы приведем сразу ответ на поставленный воп"
рос, не разбирая подробно детали *). При расширении
без давления радиус шара R ИЗJ\ilенялся (см. (12.2)) про..
порционально t 2 / З . В случае релятивистскоrо веПJ;ества о
давлением (12.6) закон расширения иной:
R ,...,. 1" t.
(12.7)
При вычислении уменьшения плотности в этом
случае надо учесть, что с расширением падает энерrия
'движения частиц, а соrласно Эйнштейну масса связана
с энерrией. В результате оказывается, что закон измене.-
ния плотности релятивистсноrо вещества совсем несу..
щественно отличается от закона (12.3) для холодноrо
вещества:
3 5.105 ( З )
Р == 2 ==  r/cM ·
32nGt t
( 12 .8)
rВремя t в {12.8)' так же, кан в r(12.3J, должно быть
выражено в секундах.)
И, наконец, оназывается, что формула для вычисле...
ния критической плотности  (7.2) остается в точности та...
RОЙ же при наличии давления, как и без Hero.
Теперь, зная механику расширения Вселенной, мы
можем приступить к рассмотрению физики процессов
в ней.
*) Интересующихся подробностями отсылаем R книrе: Зель-
дович Н. В., Hoвиoв И. Д. Строение и эволюция Вселенной..........
М.: Наука, 1975,
4* 51

13. ОТСВЕТ Больmоrо ВЗРЫВА
Мы хотим выяснить, что же произо!.пло в
еинrулярности около 1020 миллиардов лет назад. Прет...
де Bcero вознинает вопрос: как можно исследовать со бы...
'1'ия, происходившие столь давно?
Разумеется, это можно сделать, изучая следы, остав...
венные эти:м:и: событиями, следы, которые можно наблю
дать сеrодня.
Что же это за следы? Они весь:м:а различны. Мы
вачнем с явления, которое было обнаружено наблюдате
дем случайно, хотя теоретики знали, что оно должно cy
ществовать. Речь идет о :МИКРОВОЛНОВО:И электромаrнит...
IIОМ излучении, ааполняющем сеrодня 'всю Вселенную.
Известный советский астрофизик и. с. Шнловсний наз...
вал ero реЛИI{ТОВЫМ. Как мы уже упоминали во BBeдe
.
иии, оно сохранилось RaJ\ реликт тех далеких вре:мен,
Rоrда вещество в начале расширения Вселенной было
rорячим. Сама идея большой тем:пературы в начале рас...
ширения была выдвинута американским физиком ramo--
вым в середине 40x rодов: Он же указал, что след
ствием: ero rипотезы является наличие в сеrодняшней
Вселенной остывшеrо изза расширения релинтовоrо из...
лучения, и оценил ero примерную температуру в несколь
КО нельвинов.
Ни сам r. raMoB, ни мноrие ero последователи не
ставили вопрос об экспериментальном обнаРУiI{ении ре...
ликтовоrо излучения. Повидимому, они считали, что
это излучение не мол{ет быть обнаруi-нено, так как оно
«тонет» в потоках энерrии, приносимых на Землю излу...
чением звезд и космических лучей.
Однако в 1964 r. А. f. Дорошкевичем и автором этих
строк было показано, что в спектраЛЬНОl\tl диапазоне сан--
тиметровых и миллиметровых длин волн реликтовое из...
лучение в мноrие тысячи раз превосходит излучение
звезд и друrих источников сеrодняшней Вселенной и, сле..
довательно, может быть обнаружено с по:м:ощью радиоте...
лескопов. Но наБЛlодатели не обратили внимания на
эту работу.1!?елинтовое излучение было открыто случайно
амеРИRtШскими ради:оастрономами А. ПензиаСО1\1 и Р. Вил...
COHO В 1965 r. при отладне рад:иотелеснопа. IIHTepeCHo,
что некоторые проявления реликтовоrо излучения астро...
I-IОМЫ обнаруживали задолrо до открытия А. Пензиаса и
Р. Вилсона, не подозревая, что это проявления следов
далекоrо прошлоrо Вселенной. Но мы в этой книrе не
52

будем подробно останавливаться на истории ОТRРЫТИЛ
реликтовоrо излучения * ) .
Из:м:ерения показали, что температура этоrо излуче-.4
ния сеrодня около 3 К.
Совреl\lенная Вселе"нная практичеСRИ совсем прозра-q..
на для релинтовоrо излучения, и оно приходит к нам
с оrро:мных расстояний. Однако в прошлом, Rоrда темпе...
ратура во Вселенной была ВЫСОRОЙ,' вещество представ...
ляло собой ионизованную плазму, непрозрачную для ре...
ли:ктовоrо излучения и взаи:м:одействующую с ним.
Как :мы увидим далее, реликтовое излучение несет
важнейшую инфор:мацию о прошлом Вселенной. Поэтому
мы сейчас подробнее с ним познакомимся.
Прежде Bcero приведем неСНОЛЬRО цифр, следующих
из наблюдений. Максимум интенсивности релинтовоrо из...
лучения приходится на длины волн около 0,1 см. Зная
температуру, можно танже подсчитать, снолько фотонов
этоrо излучения приходится' на единицу объема. Оназы...
вается, в Rаждом кубичеСRОМ сантиметре их около
500 штун. Это очень :MHoro. Реликтовых фотонов rораздо
больше, чем тяжелых частиц  протонов и более тяже...
лых атомных ядер. Действительно, RaI\ мы помним, сред...
няя плотность вещества во Вселенной около 3 . 1031 r/см З .
rлавная составная часть этоrо вещества  водород. По...
этому, поделив плотность на массу ядра атома водорода
(эта масса  1024 r), мы получим, что одна частица при
ходится в средне:м: на несколько кубичесних метров. 3на...
чит, реликтовых фотонов примерно в миллиард раз боль...
те, чем тяжелых частиц.
Канова плотность энерrии реликтовоrо излучения?
При те:м:пературе 3 К энерrия Rаждоrо фотона оноло
1015 эрr. Помножив эту энерrию на 500 фотонов в ну",
бичесном сантиметре, ПОJlучаем плотность Ври 
 5 . 1013 эрr/см 3 . Если перепи:сать эту плотность энерrии
в виде плотности массы Р по формуле Эйнштейна 8 ==
== рс 2 , то получится РРИ === 5 . 10Зi r/см З . Сравнивая это
с плотностью вещества Рвещ  3 . 10Зj r, видим, что по
массе вещества в тысячу раз больше, чем излучения, He
см:отря на то, что по числу частиц соотношение 109: 1
в пользу излучения.
Проследим, что было и с теми и с друrими частицами
в прошлом.
*) Об этой истории можно прочитать, например, в иниrе:
Hoвuoв и. Д. Черные дыры и Вселенпая. М.: Молодая fвардия,
1985.
53

В обозримом прошлом ни те, ни друrие частицы прак",
тически не рождались и не исчезали. Здесь необходимы
nекоторые уточнения. Первое из них относится к релик"
товым фотонам. Сеrодняшняя Вселенная практически
прозрачна для реликтовоrо излучения. Ясно, что релик"
товые фотоны в современной Вселенной в подавляющем
большинстве не взаимодействуют с веществом и не мо"
rYT изза этоrо меняться в числе. В далеRОМ прошлом,
коrда плотность вещества была велика, была веЛИка и
температура. Вещество Вселенной было ионизовано и
являлось почти однородной плазмой. Оно тоrда было не..
прозрачным для изучения. Реликтовые фотоны lактивно
взаимодействовали с таRИМ веществом. НО СRОЛЬКО фо..
тонов за какойто малый промежуток времени поrлоща..
лось в толще вещества, СТОЛЬRО же этим rорячим веще..
ством и рождалось! Существовало, RaK rоворят, paBHOBe
сие между излучением и веществом. Значит, и в этот
период соотношение миллиард реликтовых фотонов на
один протон оставалосьсправедливым.
Второе уточнение относится R протонам.
В своем далеком прошлом, в самые первые мrновения
после начала расширения, во Вселенной было TaR rоря..
чо, что при температуре больше десяти тысяч миллиар--
дов rрадусов столкновение частиц рождало протоны и их
античастицы  антипротоны, нейтроны и антинейтроны.
Но всему этому мы еще вернемся. ПОRа мы не обращаем..
ся к экзотичеСRИМ первым мrновениям, можно считать,
что и релинтовые ...фотоны, и тяжелые частицы всеrда
сохраняются.
Помня это, отправимся в прошлое. В прошлом нон...
центрация и тех и друrих частиц, n ВеЩ и ПРИ, была, конеч..
но, больше, чем сейчас, и возрастали эти Rонцентрации
по мере уrлубления в прошлое в одинаковое число раз:
п вещ "'" При"'" 1/ R З .
(13.1 )
Значит, их отношеlIие остается неизменным: один протон
на миллиард фотонов.
Но между фотонами и тяжелыми частицами есть or..
ромная разница. Масса тяжелых частиц все время неиз
менна. А энерrия фотонов с раширением Вселенной
уменьшается изза RpacHoro смещения. Последняя фраза
требует пояснения. Прежде Bcero ВОЗНИRает следующий
вопрос. В сеrодняшней Вселенной реликтовые фотоны
движутся свободно, никак не взаимодействуют ни с ве..
54

ществом, ни друr с друrом. Почему же в та:ком случав
их энерrия падает, почему они :краснеют?
Все дело в том, что фотоны распространяются в pac
ширяющейся Вселенной среди уаляющихся друr от дpy
ra rалантин (рис. 14). Пусть наблюдатель в rала:ктине А
измеряет длину волны фотонов рели:ктовоrо излучения,
летящих, например, в направлении АВ, и эта длина вол
ны составляет л. В силу однородности Вселенной в дру...
rих rаланти:ках, например D и В, наблюдатели в это же
ФОТОН

 .  . )Ir"
D А 8 С
1< r I
Рис. 14. Покраснение фОТОНОВ реликтовоrо излучения при их CB(}-I
бодном движении в расmиряющейся Вселенной
время измерят та:кую же длину волны фотонов релин...
TOBoro излучения. Через не:которое время фотоны из А
пролетят расстояние между rалактиками А и В (обозна...
чим ero через r). Наблюдатель в rала:кти:ке В, удаляю...
щийся от А со сноростью v, измерит длину волны тех же
фотонов, что раньше измеыял наблюдатель в А. Канова
она будет? Изза эффекта Доплера она увеличится:
л v
т  с (13.2)
Мы видим, что С самими фотонами ничеrо не происхо...
дило. Причина понраснения фотонов в том, что их длина
волны теперь измеряется друrим наблюдателем (В), но...
торый удаляется от прежнеrо наблюдателя (А). В самой
же rала:кти:ке А в это время будут измеряться фотоны,
пришедшие из D. Они также по:краснеют в соrласии
с формулой (13.2)', так :кан rалакти:ки D и А тоже уда...
ляются друr от друrа. Затем фотоны, например, из В
перейдут к наблюдателю в rалантике С, удаляющейся с
еще большей сноростью от А. Фотоны окажутся еще боль...
ше по:красневшими и Т. д. Формулу '(13.2) можно пере...
писать еще в друrом виде. За время путешествия света
t rалантини сдвинутся на r === v t *). Подставляя най...
*) 1:ы считаем rалактики не очень далекими, и поэтому СКО-
рость v rалактики В не успела заметно измениться за At и при...
мерно постоянна, а 6.r :мало по сравнению с r,
55

денное отсюда v в '( 13.2)' и используя соотношение r ==
;::= с t, находим
л v r r
===
Л ......... с с t  r ·
( 13.3)
Таним обраЗ0М, относительное изменение длины вол...
nbl релинтовоrо излучения за неноторое время t равно
относительному изменению расстояния l\rIежду rалантина...
ии за это же вре:м:я. Обратимся теперь н тоЙ даленой
:в прошлом эпохе, ноrда плазма была непрозрачна, и по
смотрим, нак там происходило понраснен:tIе излучения.
ФОТОН

. .
OB
;..
Рис. 15. Покраснение фотонов релик
TOBoro излучения при рассеивании на
удаляющейся частице В и возращении
R исходной частице О
Теперь 'излучение не распространяется свободно. Суть
происходящеrо с фотонами в этом случае можно понять,
рассматривая следующий процесс (рис. 15). Пусть фотон
в точке О имел в неноторый :момент длину волны л. Этот
Q)OTOH движется в направлении В, рассеивается назад
частицей В и вновь возвращается вО. Канова будет те...
перь ero длина волны? Очевидно, она увеличится, так
RaR отрал-\ение фотона происходило на частице В, уда...
ляющейся от О вследствие расширения плазмы *). в этом
случае танже сработал эффент Доплера при отражении
от удаляющейся частицы. Нетрудно проследить, что при
этом будут справедливы те же соотношения (13.2) и
(13.3), что и в рассмотренном выше случае СБободноrо
распространения фотонов.
Итан, всеrда увеличение длины волны релинтовых фо...
тонов пропорционально увеличению расстояний между
частицами в расширяющейся Вселенной.
Если меняется длина волны, :меняется частота ro ===
=== 2л:с/л, то :м:еняется и энерrил каждоrо фотона. Соrлас...
во формуле Планка Е ф == пro == 2л:пс/л. Раньше каждый
фотон релинтовоrо излучения был энерrи:чнее, а значит,
и массивнее (эта масса пеЛИRОМ связана с энерrией ero
движения): пф == Е ф /с 2 == 1i · 2л/сл.
*) Для выявления сути эффекта мы рассматриваем только
скорости удаления частиц изза расширения и не учитываем теп...
ЛОвой разброс скоростей частиц.
56

Длина волны излучения обратно пропорциональна TeMooi
пера туре: Т  1/л. Таним образом, мы можем написать
Е ф  тф  Т  1/л  1/r  1/R. (13.4)'
Последнее соотношение в (13.4) следует из Toro, ЧТО
r  R, rде R  радиус шара, рассматриваемоrо нами в
предыдущих разделах.
В прошлом плотность вещества во Вселенной была
больше, потому что больше была концентрация частиц
п вещ  1/ R З (см. (13.1)). Значит,
Рвещ  1/ R З . (13.5
В случае реликтовоrо излучения концентрация фотонов
ПРИ танже пропорциональна 1/ R З . Но теперь еще м:еня..,
ется с расширением и масса каждоrо фотона тф  1/ R
:( см. (13.4)). Поэтому
РРИ == тф · пРИ  1/R\ '(13.611
т. е. РРИ уменьшается с расширением быстрее, чем РвеЩ8
Нак мы видели выше, сеrодня плотность Рвещ В тысячу
раз больше, чем РРИ. В будущем это отношение станет
еще больше. Но в прошлом Рвещ/ РЕИ  R было меньше,
чем сеrодня! Коrда R бьiло в тысячу раз меньше, чем
сеrодняшнее, тоrда эти плотности были одинаковы: рвещ:::::а
с:::: РРИ, а еще раньше РРИ было MHoro больше Рвещ' Это
необычное состояние называют эрой фотонной плазмы.
Чем дальше мы уходим в прошлое, тем больше тем-
пература, все ближе и ближе синrулярность  эаrадка
взрыва Вселенной. Мы теперь можем в нашем мысленном
путешествии во времени подойти к синrулярности вплот
ную не только по космическим масштабам, но и по че
ловеческим мернам.
14. В одной СЕКУНДЕ от ТАйНЫ
По какому закону происходило в прошлом
падение температуры расширяющейся Вселенной? Это
нетрудно рассчитать. Вспомним, что при больших темпе
ратурах плотность материи во Вселенной падает с тече...
нием времени по закону (12.8). Эта плотность р прак
ти:чески совпадает с плотностью реЛИRтовоrо излучения
РРИ. Теперь остается выразить РРИ через плотность энер
rии: РРИ == Ери/ c.fl., а Ери выраЗIIТЬ через температуру: по
законам термодина?\1ИКИ ери == аТ", rде коэффпциент
а == 7,6 · 1015 эрr/ (см З · 1(4) J И подставить полученное
57

выраiнение в (12.8). Получаем связь температуры и вре...
мени, прошедшеrо с начала расширения:
1010
т  Vt · (14.1)
в этом соотношении время t выражается в сеl{ундах,
8 температура Т  в кельвинах. Через одну секунду пос...
пе начала расширения температура была Т  1010 К. При
меньшем t температура еще больше. При такой оrромной
температуре происходят процессы рождения и анниrиля-
ции элементарных частиц. Например, процессы рождения
пар электрон  позитрон при столкновении энерrичных
'YKBaHTOB и анниrиляции пар электрон  позитрон с пре...
вращением в фотоны:
'у + 'у  е+ + е....' е+ + е.... --+ 'у + 'У. 11 14.2)
Для рождения пары электрон  позитрон падо затра-
тить энерrию, равную, как минимум, сумме масс этих
частиц, умноженную на Rвадрат скорости света, т. е. око...
JlО 1 !vlэВ. Следовательно, такие процессы MorYT идти
.лишь при температуре выше десяти миллиардов rраду..
сов, коrда MHoro квантов света обладают подобными энер"
rиями. Столкновения электронов и позитронов MorYT
пести R рождению нейтрино и антинейтрино, возможна
'lакже и обратная реакция:
е+ + е....  " + ", " + v  е+ + e.
(14.3
Коrда температура еще выше, возможно при столк-
новениях рождение более тяжелых частиц и их антича...
стиц. Столкновение частиц с их античастицами приводит
R их анниrиляции. Все эти процессы взаимноrо превра..
щения происходят чрезвычайно быстро. Имеется, как
rоворят, термодинамическое равновесие между всеми ча-
стицами. СRОЛЬКО частиц и античастиц рождается в столк..
вовениях, СТОЛЬRО же их и поrибает при анниrиляции.
Коrда температуры очень высоки, заметно больше
1012 К, то, помимо частиц обычноrо вещества, из кото..
poro сеrодня состоят небесные миры, во Вселенной суще..
ствовало примерно в равных количествах множество cop
тов пар частиц и их античастиц. И все эти сорта быстро
превращались друr в друrа. /
Значит, в этом «кипящем супе» частиц имеется, на..
пример, протонов и антипротонов, нейтронов и антинейт"
58

ронов И Т. д. примерно столько же, сколько фотонов *}.
Мы сейчас м,Оже:м на время забыть об обычном веще
стве, из KOToporo сложены звезды в сеrодняшней Вселен
ной. Ведь частиц этоrо вещества (в основном протонов)
в миллиард раз меньше по числу, чем реликтовых фо
тонов. В прошлом, коrда при высокой температуре про
тонов и антипротон;ов было стольно же, снолько фотонов,
эта прибавка B одну частицу на миллиард протонов и
антипротонов была ничтожна в количественном отноше
нии **). Конечно, у читателя MorYT возниннуть вопросы:
почему этот ничтожный избыток в одну частицу на мил
лиард пар вообще был? А с друrой стороны: почему оп
столь мал? И почему избыточна именно одна частица,
а не античастица? Это очень важные вопросы! Но мы
к ним обратимся позже, а пока вернемся к нашему «ки
пящему супу». По мере расширения температура падала,
и энерrии частиц не хватало для рождения пар тяжелых
частиц и античастиц, например таких, как протон и ан..
типротон, а анниrиляция их пи столкновениях, eCTe
ственно, происходит. Эти частицы «вымирали». При даль
нейшем уменьшении температуры «вымирают» разные
виды мезонов.
R середине первой секунды температура, как мы
по:м:ним, упала до 1010 К И от Bcero разнообразия частиц
остались тольно фотоны, электроны и позитроны, не:Йт
рино и антинейтрино ***).
При высокой температуре нейтрино и антинейтрино
превращаются в электронпозитронные пары и обратно
по реанции (14.3). Скорость протекания этой реакции
сильно зависит от температуры. Характерное время (в ce
кундах), за которое успевает совершиться реакция, MO
жет быть записано в виде
1051
"'" ""-/ 
,,""-/ 5.)
Т
( 14.4)
Температура здесь выраiIается в кельвинах. Мы видим,
*) Напомним, что фотон совпадает со своей античастицей.
**) Такая же прибавка в одну частицу была на миллиард
нейтронов и антинейтронов. Нейтроны и протоны тоrда быстро пре
враIЦались друr в друrа при столкновениях с леrкими частицами
(так же, как и антипротоны и антинейтроны).
***) Для простоты мы rоворим пока ТОЛЪRО об одном сорте
нейтрино  об электронных нейтрино. О мюонных и таунейтрино
будет сказано чуть позже. Кроме Toro, возможно присутствие
друrих, пока неизвестных, или rипотетических частиц. О них TaK
j-I\e еще будет сказано.
59

ЧТО при больших Т вре:мя l' очень l\'Iало и реакции пре...
вращения успевают быстро протенать. С друrой стороны,
связь между временем t, протекшим с начала расшире--
вия Вселенной, и температурой Т определяется формулой
.<14.1), ноторая может быть переписана в виде
1020
t == . (14.5)
т
При высоких Т время реакции 't  t и реакция успе..
JJaeT быстро протекать, устанавливая равновесие между
пара:ми электрон  позитрон и нейтрино. Rоrда же ока..
вывается, что т> t, то это аначит, что реакция уже не
будет успевать протенать в охлаждающемся веществе
Вселенной. Таким образом, коrда 't сравнивается с t,
нейтрино становятся свободными и вся Вселенная, все
бо:.rее расширяющаяся и остывающая, для них прозрачна.
Приравнивая 't и t, находим теl\lпературу Tv, при которой
это происходит: Tv  2 . 1010 К. Эта температура достиrа..
ется во Вселенной примерно чез t  0,2 с после начала
расширения. В дальнейшем нейтрино свободны, число
нейтрино не меняется, и они сохраняются вплоть до Ha
шпх дней, только их энерrия должна упасть изза Hpac
Horo смещения при расширении, точно так же, как энер '
rия и температура нвантов электромаrнитноrо излучения.
Таним образом, в нашу эпоху во Вселенной реликто
Boro электромаrнитноrо излучения должны существовать
реликтовые нейтрино и антинейтрино. Энерrия этих ча
стиц должна равняться примерно энерrии нвантов сеrод
няшнеrо реликтовоrо электромаrнитноrо излучения, и
Rонцентрация их также примерно совпадает с KOHцeHT
рацией реликтовых квантов *) .
Экспериментальное обнаружение реликтовых нейтри
но представляло бы оrромный интерес. Ведь для нейтрино
Вселенная прозрачна начиная с долей секунды после
начала расширения. Обнаружив реликтовые нейтрино,
мы моrли бы непосредственно заrлянуть в далекое про
mлое Вселенной, информацию о которой несут эти
нейтрино.
*) После Toro как нейтрино перэстали взаимодействовать с
веществом, произошло (при времени t около нескольких секунд)
«вымирание >} электронов и позитронов. Jlx энерrия в OCHOBHOl\rI
перешла в энерrию 'YKBaHTOB. Это в основном обусловило несколь
ко ббЛЬШУIО температуру фотонов реликтовоrо излучения по cpaB
неНИIО с нейтрино.
60

R сожалению, прямое детентирование ядерны:м:и мето"
да:м:и неЙтрино столь низких энерrий, какими должньr
быть реликтовые нейтрино, пока праRтически невыпол...
вимая зада ча.
По:ми:мо элеНТРОНIIЫХ нейтрино сущеСТВУIОТ еще и
мюонные и таунеЙтрин:о. Для них Вселенная стала про...
зрачной еще раньше, чем для электронных неЙтрино.
Эти сорта реликтовых частиц также должны ПРИСУТСТВО1
вать в сеrодняшней Вселенной, но их прямое обнаруiне...
вие, с по:мощью накихнибур;ь реакциЙ, еще более труд...'
вая задача, чем: обнаружение электронных неЙтрино.
Наибольшие тем:пературы, о которых :мы rоворили в
этом разделе, это 10121013 К. Такая температура была
через t  104106 С после начала расширения ВселеJI
ной. Итак, мы подошли на одну l\IИJIЛИОННУЮ долю се...
нунды к синrулярности. Возм:ожно, у читателей неволь.
но появляется скептичеСRая улыбка. Действительно, мы
с определенностью rоворим о том, что было при t::::::a
!::: 106 с, В то время иак наша эпоха отстоит от синrу...
лярности на t  4 .1017 с. Эти цифры Rажутся совершен...
но несопоставимы:ми, и тут скепсис неудивителен. Более
Toro, Rоrда была предло}кена теория rорячей Вселенной,
сами физики невольно с оrромной ОСТОРОjI{НОСТЬЮ, а часто
и иедоверие:м: относились к рассуждениям о процессах:
при столь малых BpeMeHax. Уж очень не похожа была
Вселенная тоrда на то, что :м:ы наблюдаем сеrодня. Пси...
холоrичеСRИ очень трудно было поверить в реальность
рисуемых партии. Эта трудность, повидимому, явилась
одной из причин HeKoToporo недоверия к теории rорячей
Вселенной в первые rоды после ее создания. Отчасти по...
этому реликтовое излучение не пытались искать даже
спустя двадцать лет после предсказания.
Однако теперь мы полностью уверены в справедливо
сти и саIОЙ теории (об этом прямо rоворит обнаружение
реликтовоrо излучения) и в справедливости расчетов про
цессов в раннеЙ Вселенной, так как они основаны на
выводах теории эле:м:ентарных частиц. А теория элемеlI
тарных частиц при энерr:иях, соответствующих темпера
турам 10121013 К, надежно проверена в ЭI\спериментах
в лабораториях физиков.
Но каЕ бы интересны ни были рассматриваемые нами
яв.л..ения, они еще не дают разrадку начала расширения
Вселенной.
Нам предстоит дальнейшее путешествие к синrу...
.'ТIярност:и.
61

15. МИКРОКОСIОС
Чем ближе к синrулярности, тем выше тем...
пература Вселенной, а следовательно, больше энерrия
частиц материи. Какие процессы мы должны ожидать
8десь в мире rиrантских энерrий? Для Toro чтобы разо...
браться в этом, оставим на время Rосмолоrию и отпра...
вимся в область бесконечно малоrо  в мир современной
физики элементарных частиц.
По необходимости наше путешествие будет очень
Rратки:м:, и мы познакомимся в основном с фактами, oco
бенно важны:м:и для понимания процессов в ранней Bce
.nенной.
За последние два десятка лет в фИЗИRе элементарных
частиц произошел настоящий переворот. Стало ясно, что
элементарные частицы, из HOTOpЫ состоит вещтво,
например такие, как протон и нейтрон, это вовсе не
«кирпичики мироздания», а сложные системы, состоящие
из более элементарных объектов  кварков. Было YCTa
новлено существование целых классов новых частиц с co
вершенно необычными свойствами. Но, пожалуй, самое
важное  это установление замечательноrо единства раз
пичных сил природы, которые еще недавно, казалось,
и:меют совсем несхожую природу . Такое единство прояв",
ляется при очень болыпих энерrиях и поэтому особенно
важно для космолоrии начала расширения Вселенной.
Физика не впервые сталкивается с ситуацией, коrда
силы, казалось бы, совсем не похожие друr на друrа, OKa
вывались различными проявлениями более общей сущно....
сти. Такое случалось с электрическими и маrнитными
взаимодействиями. Люди были знакомы с проявлениями
этих сил с незапамятных времен. Но, казалось, маrниты
никак не воздействуют на электрические заряды и на.
оборот. Однако опытами Ампера, Фарадея и друrих фи
зиков было установлено, что движущиеся заряды создают
маrнитное поле, а движение маrнита ведет к появлению
электрических сил. Электромаrнитная теория аксвелла
через полвека объединила эти на первый взrляд разные
взаимодействия в единую сущность  в электромаrнитное
поле. Таким образом, оказалось, что электромаrнетизм
един и только в специальных условиях, коrда нет дви",
жения, нет изменения полей во времени, он распадается
па электричество и маrнетизм.
А. Эйнштейн вскоре после создания ОТО начал тита...
пическую работу, пытаясь объединить электромаrнетизм
62

и rравитацию........ те два вида взаимодействий, ноторые
тоrда были известны. Эти попытни он продолжа:I BCIO
жизнь. Однано в то время наука не была еще rOTOBa не
только для успешноrо выполнения этой задачи, но даже
для осмысливация rрандиозности и значи:мости этих по.
пыток. Очень мноrие фИЗИRИ относились н ПОПЫТRаи
Эйнштейна весьма снептичеСRИ. Тан, знаменитыЙ физик
В. Паули образно rоворил по этому поводу: «что разде.
лено боrом, человену не соединить)}. J{оrда же позднее
начались ПОПЫТRИ объединения друrих сил природы, ТО
они часто встречали таRОЙ же снептициз:м:. Для иллюст...
рации приведем еще одну цитату. В. Паули писал в
письме н паRистансному физину А. Саламу в 1957 r.:
«Не торопясь, читаю Вашу статью... Меня очень удивило
ее название  ,,"Универсальное взаимодействие Ферми",
это связано с тем, что с неноторых пор я придерживаюсь
правила: если теоретик rоворит "универсальный", то это
означает чистую бессмыслицу».
С времен первых попыток Эйнштейна прошло MHoro
десятилетий и ситуация в физике реЗRО изменилась. В на...
стоящее время известны четыре вида физичесних взаи..
:модействий: rравитационные, слабые, элентромаrнитные и
сильные.
В этой нниrе, обсуждая проблемы Вселенной, мы ro.
БОрИЛИ rлавным образом о rравитационном взаимодеЙ 4f
ствии, управляющем движением миров. В мире элемен....
тарных частиц rравитацией обычно можно пренебречь.
Неснольно предварительных слов о трех друrих взаимо..
действиях.
Примером процесса, идущеrо З8 сче'r слабоrо взаимо--
действия, является распад свободн оrо нейтрона п на про
тон р, элеRТРОН e и антинейтрино V e :
п  р + e +. V в.
'(15.1)
Мы видим существенное отличие проявлевия этоrо
взаимодействия от рассмотренных нами проявлений rpa--
витационноrо взаимодействия. rравитация в том прибли..
жении медленных движений, о котором мы rоворили,
меняет только состояние движения частиц, слабое л\е
взаим:одействие (15.1) меняет внутреннюю природу ча...
стиц. Сильные взаимодействия обусловливают различные
ядерные реанции (тание, например, нан термоядерные
'реаRЦИИ), а таRже вознинновение сил, связывающих нейт--
роны и протоны В ядрах.
63

С электрическими и маrнитными силаl\IИ мы знакомы
по школьным опытам, и поэтому они не нуждаlОТСН
в номментариях.
Частицы, из :которых состоит 1\lатерия, делятся на
rруппы в зависим:ости от свойств их взаимодействия.
Частицы, не участвующие в сильных взаимодействиях,
называют лептонами. Таних частиц шесть. Это эле:ктрон
e, м:юон J.1, таулептон "( и три сорта нейтрино: элект...
ронное "е, мюонное "JJ. и таунейтрино "" *).
Лептоны rруппируются в пары:
(:), (:), (:).
( 15.2)
Это объединение обусловлено тем, что Rаждый сорт нейт...
рино участвует в реанциях вместе со своим партнером
по паре. Частицы в верхней строчке таблицы имеют
влеRтричеСRИЙ заряд, равный заряду электрона, частицы
нижней строчни электронейтральны.
Остальные фундаментальные частицы носят название
нварнов, они участвуют в сильных взаимодействиях
(а таRже и в слабых, и в элеRтромаrнитных). Из квар:ков
слаrаются частицы, участвующие в сильных взаимодей
ствиях и называемые адронами. Примерами адронов яв....
ЛЯIQТСЯ протон, нейтрон, n:м:езон. Bcero нварнов шесть,
они обозначаются лаТИНСRИМИ БУRвами и таRже rруппи....
РУIОТСЯ в три семейства, соответствующие семействам
лептонов:
(:), (:), (:).
(15.3)1
Квар:ки имеют довольно э:кзотичеСRие свойства. Если вы...
ражать их элеRтричеСRИЙ заряд в единицах заряда элект...
рона, то о:казывается, что заряды кварков дробные. Ча...
стицы, расположенные в верхней строчке таблицы (15.3),
имеют заряд +2/ з, а в нижней строчке  ( 1 / з) .
Каждой частице соответствует античастица. Для
электрически зарЯi-кенных частиц заряд античастиц про--
тивоположен. Например, электрону e с отрицательным
зарядом соответствует античастица позитрон е+ с поло--
*) Таунейтрино пока не открыто. Однако, повидимому, ник
то не сомневается в ero существовании, мы в дальнейшем не
будем делать orOBopOK об отдельной неполноте наших знаний.
Заинтересованных ЧИ'l'ателей отсылаем к специальной литературе
по ФИЗИI{е элементарных частиц.
64

жительным: зарядом, нварну и с зарядом +2/3 cooTBeT"t
ствует аНТИRварк и с зарядом .......2/3 и т. д.*).
Все перечисленные выше фундаментальные частицы,
из ноторых состоит физическая :м:атерия, обладают еще
одним важным свойством. Им присуще собственное вра 4
щение  внутренний момент импульса, или, нак ero на"
зывают в нвантовой механике, спин. Причем спин этих
u U U
частиц, измеренныи в единицах планновскои постояннои
1i **), равен- 1/2.
Еще неснольно слов о :кв арнах. Как уже было сказа.
но, нварки являются составляющими частями сильновааи..
модействующих частиц....... адронов. Адроны в свою очередь
подразделяются на барионы у :которых полуцелые спины
и мезоны с целыми спинами (в единицах л). Каждый
барион состоит из трех кв арнов, а мезон  иа :кв арна и
антикварка. При таних объединениях заряд составной
частицы обязательно оказывается целым. Например, СО"
став протона  uud, нейтрона........ d.dи, состав п+ мезо.
в а ....... u а.
Замечательной особенностью :квар:ков является то, что
в сеrодняшней Вселенной они существуют только в св л...
занных состояниях....... только в составе адронов. Одиноч-
ные, свободные кварки физини не обнаружили, несмотря
на мноrочисленные попытки это сделать. Почему нварк
не может быть вырван из адрона или создан накимлибо
иным способом? Это один из основных вопросов физики
элементарных частиц, и мы :к нему еще вернемся.
Обратимся R проблеме взаимодействия между части..
цами. Все процессы, которые происходят во Вселенной,
есть результат этих взаимодействий. Но :ка:к же происхо...
дят взаимодействия, в чем их суть?
16. ПЕРЕНОСЧИКИ
Частицы взаимодействуют путем обмена дру..
rими частицами  переносчинами взаимодействия. Ка ж...
дый из перечисленных выше четырех видов взаимодей...
ствия имеет своих переносчинов.
Начнем с хорошо известноrо нам электромаrнитноrо
взаимодействия. Переносчиком ero является фотон. На
рис. 16 изображена схема элентромаrнитноrо ВЗRимодей..
ствия между протоном и элеКТ :RО НОМ. П ротов испускает
*) Античастицу обычно обозначают черточкой над буквой.
**) Постоянная Планка 1i == 1,05 .1027 эрr. с.
. 5 и. д. НОВИl\ОD 65

.фотон, RОТОРЫЙ поrлощается элеRТРОПОМ. Читателю, но-
вечно, известно, что наrлядпые представления для мира
элементарных частиц невозможны, так нак там действу..
ют совершенно непривычные для нас заRОНЫ Rвантовой
"Механини. Невозможны, конечно, и наrлядные Rартинки.
'Тем не менее подобные схемы, как выразился в попу..
лярной статье американский физик 1\1. rеллМанн, соз--
дают «иллюзию понимания» и до пеноторой степени по..
у
Рис. 16. Электромаrнитное вэаимодей
ствие !\.fжду заряженными частицами
путем обмена 1ФОТОНОМ
e
моrают если не понять полностью, то по крайней мере
создать образ Toro, что происходит. Надо сказать, что
для специалистов подобные схемы служат и рабочим
инструментом для расчетов взаимодеЙствий. Они получи--
ли название диаrрамм Фейнмана, по имени их изобре
тателя *).
в случае rравитационноrо взаимодействия переносчи--
нами являются кванты поля тяrотения  rравитоны. l\tlbI
пока не будем rоворить об этом виде взаимодействия."
И фотоны, и rравитоны не имеIОТ массы (как rоворят,
массы покоя) и всеrда движутся со скоростью света.
СлаБJ?Iе взаимодействия танже имеют своих перенос--
'чиков. Это частицы, которые получили название вектор--
ных бозонов (мы не будем объяснять, почему их TaR
называют). Их три (а не по одной
е"'" частице, как было в случае электро"
W маrнитноrо и rравитационноrо взаи--
модействий): W+, W, zo. Частицы
w+ и W несут положительный
 и отрицательный заряды соответ",
Рис. 17. Распад ней ственно, а ZОчастица  элентро--
трона с участием нейтральная. Пример слабоrо взаи..
Wбозона модействия с участием W"части",
цы поназан на рис. 17. Эта схе..
ма изображает распад нейтрона. Существенным от..
личием переносчиков слабоrо взаимодействия от фото..
*) Заинтересованному читатеЛIО советуем прочитать книrу:
Фейnмаn Р. К8Д  странная те()рия света и вещества: Пер. (}
анrл. М.: Наука, 1988. (Библиотечка «Квант», вып. 66).
66

на и rравитона является то, что они очень массивны,
Б физике элементарных частиц f.IaCCa измеряется в энер'"
rетичесних единицах по формуле Е == тс 2 . В этих едини...
цах масса переносчиков слабоrо взаимодействия оноло
100 rэв (1 rэв == 103 МэВ == 109 эВ). Напомним, что
масса протона соответствует приблизительно 1 rэв.
с. массивностью переносчиков связан тот факт, что сла
бое взаимодействие возможно только на очень коротких
расстояниях....... порядка 1016 см. Почему так пр-оисходит?
Дело заключается в следующе!vl. Чтобы испустить тяже....
лую частицупереносчика, взаИ!vlодействующая частица
должна затратить большую энерrию. Но эту энерrию не...
откуда взять! Однако в мире элементарных частиц суще...
ствует так называемое соотношение неопределенностей.
Оно rласит, что при измерении продолжительностью не
более че!vI f.1t нельзя измерить энерrию с точностью луч...
ше, чем
E == 1:.-.
/).t
(16.1)
Это означает, что на короткий промежуток времени
dt у частицы или системы может появляться эперrия кан
бы «ниоткуда», но эта «занятая» энерrия должна быть
такова, чтобы за время dt ее нельзя было измерить и
чтобы, таким образом, не вступить в противоречие с за...
ноном сохранения энерrии.
Вернеl\IСЯ теперь к нашим взаимодействующим части...
Цам. Время dt, прошедшее между испусканием (ПрlI ко...
тором «занимается» энерrия) и поrлощением частицы...
переносчика с массой т (коrда отдается «долr»), не
должно превышать
t 1;,
 t ==  == ............ 
ilE тс 2 .
( 16.2)
При больших т промежуток I1t оказывается очень ма..
лым. Тан, при т  100 rэв получаем t  1026 с. За это
время частицапереносчик, двиrаясь 'даже со сноростью
света, успеет пройти расстояние не больше r  3 · 1016 см,
Это И определяет радиус действия слабых ядерных сил.
Обратимся теперь к сильным взаимодействиям. Их
переносчинами являются rлюоны. Подобно фотону, они
не имеют :м:ассы покоя. В случае ЭJIектромаrнитноrо взаи...
модействия испускание и поrлощение переносчинов 
фотонов  связаны с наличием у частицы электричесноrо
заряда. Б случае сильных взаимодействий испуснание и
5* 67

поrлощение rЛЮОНО:6 также связаны с наличием уквар...
ков особых зарядов. Однано эти заряды бывают трех
различных видов и получили названия: Rрасный, желтый
и синий. Само сильное взаимодействие иноrда называют
цветной силой. Любой Rйарк может иметь один из трех
«цветов». Разумеется, НИRаI{оrо отношения R обычному
ЦВету эти условные названия не имеют.
Друrим отличием от электро:маrнетизма является то,
что rлюоны сами переносят цветовые заряды и являют
ся, таким образом, цветоза
ряженными. Напо:мним, что
фотон не несет электричеСRО
ro заряда. Пример сильноrо
взаимодействия между KBap
Rами показан на рис. 18. Все
рассмотренные нами перенос..
ЧИRИ сил обладают общи:м
Рис. 18. Сильное взаимодей свойством: они nеют цело..
ствие между кв арками, ocy численный спин '(напомним,
ществляемое rлюоном что спины фундаментальных
частиц полуцелые ) . "у фо
тонов, W+, W, ZОбозонов И rлюонов спин равен 1,
у rравитонов  2 (в еДиницах n).
Тановы Rраткие сведения о мире элементарных ча..
стиц и их взаимодействиях. Подытожим сказанное в виде
таблицы.
LL СИН ИЙ
d красный
rлюон
(красноантсиний)
- llкрасный
dСНИЙ
Взаимодействия и их переНОСЧIIИИ
Частицы элентромаr- rравита-
сильное нитное слабое ЦИО1iное
Rварки }rлюоны \ фОТОНЫ I rрави'
() () () W + ...,
Лептоны ZОБОЗ0НЫ тоны
(J ЩJ (J )
Принято rоворить, что частицы в разных строчках
Rаждоrо семейства отличаются «ароматом» (Rонечно, TO
же условное название). Слабое взаимодействие может
меня'l'Ь аромат частиц.
На этом, Rазалось, можно было бы остановиться в
вашем путешествии в ИRрОМИр, В нашем зваRомстве
с мельчайшими, известными сеrодня частицами материи.
ев

Но в действительности те достаточно надежно установ...
ленные фанты, о которых :м:ы рассназали, это только
вступление к знаномству с поистине удивительным: ми..
ром бесконечно малоrо. Свойства этоrо мира тесно пере...
плетены со свойствами бесконечно большой Вселенной.
Приведенные в таблице сведения MorYT рассматриваться
лишь как своеобразная «верхушка айсберrа», видимая
нами сеrодня при рассмотрении процессов, протекающих
со сравнительно малыми энерrиями. Подлинная суть яв..
лений в МИI{ромире rораздо обширнее, она захватывающе
интересна и важна для нос:молоrии. С неноторыми аспек..
тами этой «подводной части айсберrа» мы сейчас и по
знаномимся. Следует особо предупредить читателя, что
специалистам далеко eIЦe не все ясно в структуре «под..
водной части», и чем rлубже мы будем пронинать в суть
явлений, тем более rипотетичными будут неноторые еве..
дения. Тем не менее эти сведения с переднеrо края:
науни настолько важны, что мы считаем необходимым
познакомить с ними читателя, им:ея в виду то, что основ..
ные контуры явлений очерчены здесь наукой, повиДИ-
мо:му, правильно.
17. ПУСТОТА
Прежде чем продолжать нате знаномство
с частицами и переносчинами взаимодеЙствий, нам при...
дется сназать неснольно слрв о пустоте, ИJIИ, как rоворят
физини, о ванууме. На первый взrляд кажется, что тут
и rОБОрИТЬ не о чем: пустота она и есть пустота  ничто.
Но дело вовсе не тан просто и тривиально. BaliyyM.........
это то, что остается, если убрать все частицы, все нванты
любых физических полей. Но тоrда ведь ничеrо не оста..
нется, скажет читатель (не физин). Нет, останется.
Вспо:мним о соотношении неопределенностей (16.1). Cor...
ласно этому соотношению на норотний промежуток вре...
мени i1t может появляться энерrия i1E === п/ i1t, нак бы
«ниоткуда». Эта энерrия может давать в пустоте рожде...
вие паре: частице и античастице. Масса этой пары ча
стиц соответствует формуле Эйнштейна 2тс 2 == i1E. Раз...
лететься и остаться, нак реальные част:иЦЫ, они не мо"
rYT, тан нан это означало бы, что частицы родились из
вичеrо, нарушая занон сохранения энерrии. Через про...
меЖУТОR времени i1t частицы сольются и исчезнут. Та...
I\ие «неродившиеся» частицы, появляющиеся лишь на
69

RОрОТ!\ИЙ промежуто!\ времени, беря энерrию «взаймы»;
получили название виртуальных частиц. Они все время
возни!\ают и уничтожаются в ва!\ууме. Подобные явле
ния происходят со всеми возможны:м:и видаl\lИ частиц.
Это своеобразное «!\ипение» ва!\уума и есть то, что оста.
ется в пустоте при удалении всех реальных частиц и
квантов физичес!\их полей. Удалить же это «нипение»,
или, !\ак rоворят, !\вантовые флунтуации, в прииципе не...
возм:ожно нина!\им способом. Это бы означало наруше...
ние соотношения неопределенностей нвантовой механи!\и.
«Кипящий» ва!\уум  это наинизшее возможное энерrе...
тичеСRое состояние всех полей
Проявляется ли !\анн:ибудь подобное «нипение» в а...
куума? Да, проявляется. Например, частицапереносчик
может вступать во взаимодействие с виртуальными части...
цами «!\ипящеrо» ва!\уума, и это с!\азывается на взаи...
:модействии.
Друrой при:м:ер  достаточно сильное эле!\тромаrНИТ04
ное поле может растащить возниншие в ва!\ууме вир
туальные эле!\трон и позитрон в разные стороны, сооб...
щая им: энерrию, не ПОЗВОЛfIЯ слиться и превращая тем
самы:м в реальные частицы. Та!\ие процессы наблю
даются.
Та!\им образом, вакуум......... это сложнейшее состояни)
«нипящ:их» виртуальных частиц всевозможных сортов.
Читателя, наверное, теперь не слиш!\ом удивит тот
фа!\т, что свойства этоrо состояния  ва!\уума  зависят
от Toro, !\ан ero приrотовить. Следовательно, бывает раз..
ный ванУУм......... разная пустота!
Мы в дальнейшем приведем примеры разных ВОЗl\IОЖ",
ных ва!\уумов. А сейчас поставим вопрос: не может ли
результатом а!\тивности вакуу:ма (результатом: «!\ипения»)'
явиться появление не!\отороЙ: плотности энерrии 8 как
следствие взаимодействия виртуальных частиц?
О!\азывается, .плотность энерrии 8 может появиться,
а значит, может появиться и соответствующая ей плот.
ность массы р == 8/ с 2 . Это было подчер!\нуто л. Б. 3ель--
довичем в 1967 'r. НО тоrда читатель, наверное, спросит:
не означает ли это появление в наших представлениях
не!\оторой универсальной среды, He!\OTOpOro HOBoro «эфи...
ра»? Если это так, то эта среда должна восстановить
понятие абсолютноrо покоя и движения. Ведь движение
относительно этой среды и было бы движением относи..
тельно пустоты, Т. е. относительно абсолютноrо про..
странства.
70

Rазалось бы, двиrаясь относительно TaRoro BOBoro
«эqJира», мы должны почувствовать набеrающий на нас
поток........ «эфирный» ветер. Такой «эфирный» ветер и хо..
тел обаружить Майкельсон еще в прошлом веке, пы..
таясь измерить движение Земли сквозь эфир.
Если бы новый «эфир» был бы похож на обычные
среды, то встречный ветер при движении в нем действи",
тельно можно было бы обнаружить. Но все дело в том,
что вакуум......... совсем необычная среда. В нем вместе
с плотностью энерrии е обязательно ПОЯВЛЯIОТСЯ натяже
ния, подобные натяжениям, возникающим в твердом теле
при растяжении. Эти натяжения эквивалентны отрица..
тельному давлению, поэтому так и rоворят  возникает
отрицательное давление Р. В обычных средах давления
и натяжения составляют малую долю полной плотности
энерrии (включающей массу покоя). В вакууме отрица..
тельное давление по абсолютной величине равно плотно.
сти энерrии: P == е. И в этом необычном свойстве за..
ключена важная непохожесть вакуума на обычные среды.
Rоrда наблюдатель начинает двиrаться в Rакойто систе..
ме отсчета, на Hero будет набеrать поток энерrии, св я..
занный с плотностью энерrии е, и, казалось бы, наблю...
датель может измерить этот поток (это и есть «ветер»).
н о, ПОl\fIИМО этоrо потопа, на наблюдателя будет набеrать
также поток энерrии, связанный с отрицательным дав..
лением Р. Такой поток будет отрицательным, но по мо-
дулю равен первому потоку (так как е == P) и поэтому
точно скомпенсирует этот первый поток. В результате
нинакоrо «ветра» не будет! Как бы ни двиrался по инер..
ции наблюдатель, он всеrда будет измерять одну и ту же
плотность энерrии е вакуума (если такая есть) и одно и
то же отрицательное давление P, и никакоrо «ветра»,
связанноrо с движениеl\f, возникать не будет. Вакуум: оди-
наков для любых наблюдателей, движущихся друr отно",
сительно друrа по инерции.
R вакууму мы еще неодно/кратно будем возвращать-
ся, а пока обратимся к оставленным нами на время эле..
ментарным частицам.
18. ПЕРВЫй ШАr R ЕДИНСТВУ
СИЛ ПРИРОДЫ
RaK мы уже rоворили выше, электромаrнит..
ное взаимодействие м:ежду частицами, несущими элект..
ричеСRИЙ заряд, обусловлено обменом фотонами! Интен'"
71

сивность этоrо взаимодействия можно характеризовать
так называемой электромаrнитной константой связи ct эм .
Она получается при делении квадрата заряда электрона
на постоянную Планка и скорость света:
е 2
CG эм == :rc. (18.1)
Эта величина безразмерна (не зависит от выбора единиц
измерения) и равна  1/137. 
Слабое взаимодействие также связано с наличием осо..
бых зарядов. Силу взаимодействия таких зарядов ха...
рактеризуют постоянной слабоrо взаимодействия CGслаб.
Величина CGсЛаб близка к CG ЭМ .
Однако существенная разница между электромаrнит",
вым взаимодействием и слабым состоит в том, что послед...
нее происходит только на малых расстояниях........ порядка
1016 см. Как мы видели, это связано с оrромной массой
W+.., W.. и ZОбозонов. Взаимодействующие частицы мо"
rYT «занимать» энерrию для рождения и передачи бозо..
нов..переносчиков только на очень короткое время. По..
этому и взаимодействовать таким способом они MorYT,
только находясь совсем близко друr к друrу. А что было
бы, если массы всех частицпереносчиков: W+..., W.., ZO
бозонов, "{",фотонов были бы равны нулю? Или еще воп,,-
рос: что было бы при очень больших. температурах, коrда
W+, W, ZОбозоны моrли бы рождаться столь же леr...
ко, как и 'Уфотоны? Тоrда обмен W+, w....., ZОбозонами
происходил бы столь же эффективно, как и обмен 'У...фо..
тонами, и осуществлялась бы полная симметрия между
, слабыми и электромаrнитными взаимодействиями. Ока...
зывается, в этих условиях (т. е. при больших энерrиях)
проявляется единая сущность рассматриваемых ВЗ8ИМО"
действий и они объединяются в единое электрослабое
взаимодействие. Оно характеризуется двумя безразмер...
ными константами: аl  0,01 и а2  0,03, а константы
CG эм И CGслаб выражаются через них простыми линейными
соотношениями.
Итак, если температуры достаточно велики: Т> 1015 К
'(энерrии частиц Е> 100 rэв), то существует единое I
электрослабое взаимодействие между частицами, ero пе..
реносчики........ w+.., w....., ZОбозоны, 'Уфотоны........ имеются
 изобилии и не обладают массами. Оказывается, что при
этом нет массы не только у переносчиков взаимодей...
ствия, но и У всех перечисленных выше частиц  квар'"
ков и лептонов! В этом смысле они подобны фотонам.
72

Что же ПРОИСХОДИТ С понижением температуры? Явпал
симметрия между элентромаrнитным: и слабым взаимо"
действиями нарушается, пропадает. Ка}\ и почему это
происходит?
Дело в том, ЧТО в иrру вступают новые поля и их
}\ванты  новые частицы, о :которых мы пона ничеrо не
rоворили. Это та}\ называемые частицы Хиrrса, названные
по имени их изобретателя. Если бы не было ЭТИХ полй,
то все частицы оставались бы безмассовыми и при НИ3
Е пот
Е пот
а
ох
5
.z:
Рис. 19. Шарик в симметричной ложбине. Высота шарика над
дном ложбины характеризует ero потенциальную энерrию Е пот :
а ....... шарик скатывается по склону; б....... шарик в покое на дне
Jlожбины
ких температурах и симметрия между эле}\тромаrнитным
и слабым взаимодействиями сохранилась бы. Но прежде
чем rоворить о хиrrсовсних полях и нарушении симмет--
рии между слабым и электромаrнитным взаимодействия--
ми и элентромаrнетизмом, мы хотим напомнить читате--
лю один простой опыт. Представим себе шаРИR, :который
может нататься в ложбине, имеющей СИl\lметричную
форму, поназанную на рис. 19. Если положить шари}\ в
любое место ложбины, то он скатится вниз, на дно, и,
по:колебавшись BOHpyr наинизшей точни, остановится на
дне ложбины. Читатель, наверное, помнит, что чем выше
поднимать нанойлибо rpy3 над наинизшим возможным
уровнем, тем болыпе БУДет в поле тяrотения ero потен--
циальная энерrия, пропорциональная высоте подъема.
Таним образом, :коrда шарик находится rдето на с}\лоне
ложбины, ero потенциальная энерrия тем больше, чем он
выше, а значит, чем дальше по :координате х он нахо...
дится от оси симметрии. Саму форму ложбины можно
рассматривать как зависимость потенциальной энерrии
Е пQт шарина на склоне от координаты х. Ложбина может
быть несимметричной, но мы будем рассматривать толы\о
симметричные ложбины при минимуме возможной потен--
73

u
циальнои энерrии, или, :как иноrда rоворят, на дне по
тенциальноЙ ям:ы на оси си:мм:етрии.
Пона все очень просто. Давайте теперь поставим вои...
рос: всеrда ли при симметричной форме ложбины шарик
успонаивается в положении на оси си:м:метрии? Очевидно,
нет! На рис. 20 приведен пример форм:ы сим:метричной
ложбины с небольшой центральной rорной. rде бы мы
ни помещали теперь шарин, он, снатываясь, будет успо...
:каиваться не на оси симметрии, а в наинизших точнах
Е пот
Е пот
.х
о
:с
а
Рис. 20. Шарик в симметричной ложбине с центральной rоркой:
а  неустойчивое положение покоя тарика на оси симметрии на
вершине rорки; б  устойчивое несимметричное положение покоя
шарика на дне ложбины
справа или слева. Ero положение в покое будет явно
несимметричным, несмотря на совершенно СИМ:1vlетричную
ложбину (или, нак rоворят, несмотря на совершенно сим..
метричную зависимость потенциальной энерrии от ноор",
динаты х).
Правда, если положить шар точно на вершину цент--
ральной rорни, то он останется лежать в симметричном
положении. Но это не :может продолжаться долrо, ибо
такое положение неустойчпво и при малейшеl\l возму"
щении шар скатится вправо или влево, заним:ая устой..
чивое неСИl\Пlетричное положение.
Этот при:мер показывает, :как в совершенно СИМl\Iет...
ричвой систеl\Iе с си11l\lетричны\II начальным положением
(на вершине rорки) ВОЗНIIкает явно неСИ?П\Iетричное ус..
'l'ойчивое окончательное состояние. При этом нарушение
си:м:метричноrо состояния и то, куда СRатится шар, зави..
сят от случая и происходят внезапно, как rОБОрЯТ, спов"
танно. Поэтому такой процесс нарушения симметрии
получил название спонтанноrо.
Вернемся к частицам и полям. При их взаимодей..
СТВИJIХ также может возникать поевциалная эверrия,
74

анзлоrичная Е пот на рис. 19 и рис. 20. Эта потенциальная
энерrия зависит от величины поля ер, которая является
аналоrоl',{ координаты х на рис. 19 и рис. 20. Причем в
разных ситуациях зависимость Е пQт от ер будет либо та..
ной, нак на рис. 19, либо как на рис. 20; только вместо
х на rоризонтальной оси теперь следует откладывать
величину поля <р.
Обратимся снова н полям Хиrrса. Они MorYT нахо..
диться в двух состояниях. При температуре Т  1015 К
поля существуют в виде отдельных элементарных частиц.
е пониже:рием температуры до Т  1015 хиrrсовские поля
претерпевают, как rоворят, фазовый переход, они «кон...
деисируются» подобно воде из охлаждаемоrо neperpeToro
пара. При этом: возникает «Iiонденсат» хиrrсовских по...
лей, не зависящий ни от места в пространстве, ни от
времени. И в создавшихея условиях ero НИRак нельзя
устранить. Таким образом, это по существу вануу:м:. Фи...
вики тан и rоворят  возник «новый вакуум». Однако
свойства этоrо вакуума своеобразны. Зависимость потен...
циальной энерrии хиrrсовских полей при низной темпе...
ратуре от величины поля ер имеет симметричный вид,
подобныЙ рис. 20, rде по rоризонтальной оси под х надо
понимать величину поля ер. Образование HOBoro вануума
ЭI\вивалентно снатыванию шарика в наинизшее энерrети",
чесное состояние (в ложбину справа или слева на
рис. 20), т. е. поле принимает наинизшее энерrетичесное
состояние  состояние вакуума. Но это состояние несим:...
метрично!
ПОЭТОIУ хиrrсовсние поля расщепляются на непохожие
составляющие. Одной соответствует квант  массивная ча...
стица, не обладающая спином, друrоЙ  частица нулевой
:м:ассы, которая поrлощается частицв.мипереносчинами, и
изза этоrо w.+, w, zo БОЗ0НЫ приобретают массу (мы
не будем здесь объяснять, почему это происходит). Одно--
временно приобретают Iaccy частицы материи с полуце...
ЛЫIИ спинами  l{ваРRИ и некоторые (а может быть,
и все) лептоны. Последнее получается изза Toro, что
они взаИl\lодействуют снесимметричным конденсатом:
хиrrсовсних полей, составивших новый (несимметричный)
BaKYYI. Мы и здесь не буде:м понснять, как это проис-
ходит. Подобное пояснение достаточно сложно, а мы и
тан, наверное, неснольно переrрузили читателя необычной
инфор:м:ациеЙ.
Фотон ,"не  переНОСЧIIК только элеRтромаrнитных
взаимодействиЙ  остался бе3fассовым:.
75

Вот к Rаким l\IноrоrраННЫl\I последствиям привело
«скатывание» хиrrсовских полей с понижением тем:пера-
туры в несимметричное состояние HOBoro вакуума. Спон",
танно наруmилась симметрия! Теперь уже переносчики
слабоrо взаимодействия приобре.J)И массу. Эта масса де-
лает слабое взаимодействие чрезвычайно близкодейству-
ющим, а безмассовый фотон попрежнему обеспечивает
электромаrнетизму дальнодействие. Теперь и не узнать
былой симметрии. Та симметрия, которая была явной и,
очевидно, при больших температурах, теперь нарушилаеь
и стала скрытой. Вот почему физикам было так трудно
ее распознать в условиях сеrодняmней Вселенной. Но
они это су:мели сделать! 3а создание единой теории эле кт-
рослабых взаимодействий с. Вайнберr, ш. rлэmоу и
А. Салам были в 1979 r. удостоены Нобелевской премии.
Для теории эволюции Вселенной оназывается особен-
но важным то, что при высокой температуре поле ер в
теории электрослабых взаимо'действий обращается в нуль,
что и приводит К восстановлению симметрии между сла-
быми и элентромаrнитными взаимодействиями. Теория
этоrо явления была предложена советским физиком
Д. А. Rиржницем и позднее разработана им совместно
с А. д. Линде.
Заметим все же, что не все детали описанной выше
Rартины подтверждены с одинаковой степенью надежно-
сти. Так, пока не обнаружены хиrrсовские массивные
частицы. По нрайней мере один сорт таких тяжелых ча-
стиц должен остаться после описанных коллизий, и он
должен существовать в сеrодняmней Вселенной, хотя и
обнаружить подобные частицы в эксперименте очень
трудно. Но физики верят в успех подобных поисков.
19. ЦВЕТНАЯ СИЛА
До сих пор мы не касались сильноrо взаи-
модействия. Частицы, испытывающие сильное взаимо-
действие, кварки и не испытывающие ero......... лептоны,
выrлядят по этому признану как совершенно различные,
их превращение друr в друrа кажется невозможным.
Мы обращаем,ся теперь к сильному взаимодействию,
стоящему особняком от элентрослабоrо взаимодействия.
Сильное взаимодействие, нан уже было сказано, связано
с наличием у кварl\ОВ «цветных» зарядов, и поэтому ero
иноrда называют цветной силой.
76

Начнем с рассмотрения следующеrо вопроса. Почему
все же кварки находятся только в связанном состоянии
внутри бариона или мезона? Разве нельзя придать квар-
ку достаточно большую энерrию, оторвать ето от друrих
кварков (как бы сильно они ии были связаны друr с
друrом) и заставить вылететь из бариона?
Как мы увидим, парадоксальность ситуации заключа-
ется в том, что Rварки почти совсем не связаны, Rоrда
находятся внутри адрона (Т. е. бариона или мезона)!
Для тото чтобы разобраться в этом удивительном
обстоятельстnе, вернемся ненадолrо к электромаrнитно--
му взаимодействию.
Рассмотрим з<!ряженную частицу, например позитрон
в вакууме. Мы уже знаем, что в вакууме непрерывно
происходит рождение и уничтожение электронпози",
тронных пар.......... «кипение» вакуума. Таким образом, наш
u ч
изолированныи позитрон в деиствительности окружен
возникающими и исчезающими положительными и отри-
цательными зарядами. Несмотря на кратковременность
существования этих зарядов, они уопевают обменяться
с позитроном виртуальными фотонами, т. е. провзаимо-
действовать. При этом отрицательные заряды будут при...
тяrиваться к позитрону, а положительные отталкиваться.
В результате вокрут позитрона все время будет некото-
рый небольшой избыток отрицательноrо заряда, который
частично экранирует положительный заряд позитрона.
Явление это получило название поляризации вакуума.
Она приводит R тому, что друrие удаленные реальные
частицы чувствуют заряд не «rолоrо» позитрона, а ча--
стично заэкранированноrо........ одетото в «шубу» из проти",
воположных по анапу зарядов, т. е. проявление варяда
позитрона будет ослаблено. Этот «ослабленный» заряд
позитрона и измеряется в обычных опытах. Если теперь
пробные реальные частицы подносить к позитрону все
ближе и ближе, То они проникают в rлубь экранирующей
«шубы». Между пробным зарядом и «rолым» позитроном
остается все более тонкий слой «шубы», а значит, и ос...
лабевает экранирование. Таким образом, на малых рас--
стояниях эффективный заряд позитрона становится боль-
юе, т. е. электромаrнитное взаимодействие усиливается
по сравнению с простым законом I\улона, если в Hero
u
подставить заряд ПОЗИТрQна, измеренныи со сравнительно
большоrо расстояния. Таков вывод квантовой электроди-
намики  науки об электромаrнитном взаимодействии
элементарных частиц.
77

Вернемся теперь R цветным зарядам и обусловленным
ими сильным взаимодействиям. Кстати, теория, описы...
вающая эти взаимодействия, называется, по анало..
rии с Rвантовой элеRтродинаМИRОЙ, Rвантовой хромоди"
наминой.
В Rвантовой хромодинаМИRе pOiI-\дение виртуальных
пар нварнов и антикваРI{ОВ должно приводить к эффек"
там энранирования цветных зарядов так же, нак это
было в нвантовой электродинамике. Однано здесь возмо"
жен новый процесс, который отсутствует в Rвантовой
элентродинамине. Вспомним, что переносчини элентро"
маrнитных сил  фотоны  электронейтральны. Поэтому
фотоны не MorYT порождать фотоны. В отличие от них,
переносчини цветной силы  rлюоны  сами обладают
цветным зарядом: и поэтому MorYT порождать новые вир..
туальные rлюоны. Этот процесс ведет к «размазыванию»
цветовоrо заряда, т. е. к явлению, прямо пропорциональ...
ному энранированию. На малых расстояниях этот про..
цесс преобладает над экранированием. Теперь частица
с цветовым зарядом, подходя все ближе к нварку, про--
ниная все rлубже в облако размытоrо цветовоrо заряда,
встречает в центральных частях все меньший и м:еньший
заряд, и поэтому инrrенсивность взаимодействия ослабе--
вает на достаточно малых расстояниях. Это явление на..
зывают асимптотичеСI\ОЙ свободоЙ частиц на COBCel\I
малых расстояниях. При это:м: частицы практичесни не
взаимодействуют........ они свободны. С увеличением рас..
стояния все более далеRие части размазапноrо цветовоrо
заряда включаются во взаимодействие и ero эффентив--
ность нарастает. Соrласно современным пре,tJ;ставлеПИЛf
с увеличением расстояния цветная сила не уменьшается,
а остается постоянной. Поэтому, чтобы все даЛЬПlе и
дальше удалять взаим:одействующие цветовой силой ча..
стицы друr от друrа, надо затрачивать энерrию ПРЯ)10
пропорционально расстоянию, и при росте расстояния
между частицами требуемая энерrия нарастает линейно
с расстоянием.
Это необычное свойство цветной силы, вероятно,
и обусловливает певозможность вырвать ИЗ0лированный
нварн из адрона. Ситуация ПОХОJна на таную, Rоrда взаи..
модействующие частицы RaI{ бы связаны резиновым
шнуром. Если даже сообщить нварну очень болыпую
энерrию, то «резиновый IПИУР» разорвется и па месте
разрыва за - счет сообщенной энерrии возпинпет пара.........
нварн и анrИRварн! Улетающий RBapK утащит за собой
18

ВОЗНИI\ающий на месте разрыва аНТИI\ваРI\, п вместе они
составят l\lезон, :который и вылетит из адрона вместо
ОДИНОЧНОIО кварка. Таним образом, нварни «заперты»
внутри адронов, образуя системы, ноторые в целом ней...
тральны по цвету. Тан нан rлюоны тоже цветозарЯj-нены,
то они танже «заперты» внутри адронов. Вот почему,
несм:отря на то, что переносчини сильноrо взаимодей...
ствия  rлюоны  обладают нулевой массой, нан и фото...
ны, сильное взаимодействие, в отличие от элентро:маrнит
Horo, не простирается на большие расстояния, а orpa':
ничево примерно объемом: адронов (радиус ноторых:
около 1013 см).
W.ВЕЛИКОЕОБЪЕДИНЕНИЕ
Мы видели выше в разделе 19, что при тем--
пературах Т> 1015 I( существует единое элентрослабое
взаимодействие, ноторое лишь при меньших температу..
рах распадается на элентромаrнитное и слабое, внешне
COBCel\I не похожие друr на друrа. Сильное (цветное)
взаииодействие даже при столь высоних теМl!Iераурах
держится совершенно особняном. Если В элентрослабых
взаим:одействиях участвуют все частицы  IJ лептоны,
и нварни, то в сильных  тольно нварни.
Все процессы,- ноторые мы до сих пор рассматривали,
не MorYT вести н превращению, например, нварна в леп...
тон или кварна в антинварн. Конечно, при столнновении
достаточно энерrичных лептонов MorYT рождаться и нвар...
ни, но обязательно в паре с антинварнами  тан, чтобы
суммарное ноличество тех и друrих было ОДl!наНОВЫМ. J
Точно тан же столнновение нварна с антинварном при...
водит к их анниrиляции  превращению в лептоны и
фотоны, но при этом исчезает обязательно пара, пооди...
ночие Rварни исчезать не MorYT.
ТаНИf образом, в приро;з;е должна сохраняться раз...
ность числа нварнов и антинварнов. Эту разность назы..
вают барионным зарядом системы (точнее, барионны:м
зарядом называют разность, деленную на три) t До сих
пор во всех энспериментах физинов барионный заряд
сохранялся. Не MorYT ли при очень больших энерrиях,
HaMHoro превышающих 100 rэв (Т == 1015 К), происхо...
дить наниелибо реанции, которые не сохраняют барион
вый заряд и ноторые невозможны при меньших энер..,
rиях и поэтому не были замечены физинами?
79

Оказывается, KaR утверждает теория, такие процессы
возможны, но только при совершенно фантастических
внерrиях, больших ,...., 1 01 rэ В!
Что же происходит при таких больших энерrиях?
Прежде Bcero заметим, что чем болыр:е энерrия, тем
па меньшее расстояние MorYT сблизиться сталкивающие.
сл частицы (это следует из соотношения неопределенно.
стей нвантовой механини). Связь меiI\ДУ энерrией Е и
расстоянием сближения r дается фОрl\fУЛОЙ
2 .1014
Е == J)
r
rде Е  в rэв, r  в см.
Мы уже знаем, что по мере уменьшения р'асстояния
между взаимодействующими частицами (что требует уве..
личения энерrии сталнивающихся частиц) эффективность
элентромаrнитноrо взаимодействия нарастает, а сильно..
ro  падает ИЗ8а процессов взаимодействия с BaI{yYMoM.
Оказывается, что на малых расстояниях r == 1028 Cl\f,
т. е. при фантастичесних энерrиях ,...., 1 ot rэв, все три
вида взаимодействий........ электромаrнитное, слабое и силь..
ное  должны стать одинаново эффентивными, потерять
свою индивидуальность. При энерrиях, больших 101 rэв,
должно существовать единое Великое (универсальное)
взаимодействие.
При столь больших энерrиях иптенсивпо рождаются
переносчини универсальноrо взаимодействия........ очень
массивные x и Убозоны. Их массы в энерrетических
единицах соответствуют 101 rэв. Именно поэтому они
MorYT эффективно рождаться только при очень больших
энерrиях. До сих пор, коrда rоворилось о существенно
:м:еньmих энерrиях, мы с этими частицами не встреча-
лись.
Свойства x и Упереносчинов поистине удивительны:
они MorYT превращать :кварки в лептоны и обратно,
а также кварни в антикварни. Таним обраЗО!\f, x и у-
частицы  это своеобразные лептонваРJ{И. Теперь стер...
лось различие между кварка:м:и и лептонами, ноторое су..
ществовало при низних температурах, и они выступают
как различные проявления неной «сверхчастицы». Это
исчезновение различия означает вознинновение новой,
более высоной симметрии  симметрии Великоrо объеди.
пения.
Мы помним, что рассмотренные нами до сих пор ча..
стицы (кроме Х.. и Убозонов) при Т> 102 rэв не имеют
80

массы покоя. При Т> 1014 rэв YiRe все частицы, в том
числе и x, Убозоны, не имеют массы покоя. !{роме уже
встречавшихся нам частиц при этих температурах су-
ществует еще один набор хиrrсовских частиц (отличный
от Toro, с которым мы встретились при Т  102 rэв).
с понижением температуры при Т < 10 1i rэв срабаты
вает уже знакомый нам хиrrсовский механизм, приводя...
щий к нарушению симметрии, на этот раз симметрии Ве...
линоrо объединения. Только здесь явления, подобные
описанным нами в разделе 18, происходят с этими HO
выми хиrrсовскими частицами. При Т> 10 Н rэв хиrrсов",
сние частицы были свободными. При Т < 10 Н rэв обра-
зуется «конденсат» хиrrcовскоrо поля....... новое низшее
состояние системы, Т. е. еще одна разновидность BaHYY
ма. Итак, мы теперь fIознакомились уже с тремя разны...
ми видам:и вануума. Одна разновидность существует,
коrда Т > 10 1i rэв, вторая........ при 102 < Т < 10 Н rэв,
третья........ при совсем «низких» теlпературах Т < 102 rэв.
Слово «низких» мы взяли в кавычки, так нак 102 rэв со...
ответствует температуре Т == 1015 К, т. е. по обыденным
понятиям температуре отнюдь не «низкой». Чтобы быть
достаточно строrи:ми, в этом месте паmеrо рассназа о
вакууме следовало бы сделать MHoro oroBopOK и уточне
пий, но мы этоrо делать не будем, так как паша цель.......
дать лишь общую картину. Впрочем, к некоторым очень
важным свойствам разпоrо BaKyy{a, в том: числе и 1\
свойствам:, весьма наrлядно показываЮЩИl\l, в чем про-
является различие между этими вануум:ами, мы еще
обраТИlСЯ в дальнейшем: рассказе. А сейчас давайте вер-
немся к хиrrсовскому механизму нарушения СИl\lметрии
при т  10 1i rэв. IIзза образования хиrrсовсноrо «коп...
денсата» x и Убозоны (переносчини универсальноrо
взаимодействия) приобретают массу....... они становятся
сверхтяжелыми  их масса т  10 Н rэв. Единое взаимо...
действие теперь расщепляется на сильное и электро",
слабое.
Все, что мы рассказывали про Великое объединение,
пока только чистая теория, хотя и довольно убедитель...
ная. Существует ли какаялибо возможность проверить
эту теорию?
Наиболее естественно было бы проверить теорию Ве...
линоrо объединения тем же путем, что и теорию электро'"
слабоrо взаимодействия. А именно, в случае теории
электрослабоrо взаимодействия в энспериментах на усно-
рителях были от:крыты предскаэанвые ею частицы-
6 И. д. НОВИКОВ S 1

переносчики: W::f: и ZОБОЗ0НЫ. Теория Великоrо объеди
нения предсказывает существование сверхтяжелых x и
УБОЗ0НОВ. Но попытка найти их в экспериментах па уско...
рителях совершенно бе,ссмысленна, ибо пришлось бы по...
ВЫСIIТЬ энерrии уснорителей lIa 12 порядков, что невоз"
можно даже в отдаленном будущем. ОстаютСЯ два пути.
Вопервы:х, мы знаем, что в самом начале расширения
Вселенной были температуры, превышающие 1014 rэ.
Поэтому надо попытаться найти в сеrодняшней Вселен...
ной какиелибо следы, оставшиеся от процоссов, проте..
кавших в прошлом при столь высоной температуре. rlo
этим следам можно попытаться проверить правильность
наших теоретических представлений о том, что было при
Т > 10 1i rэБ,
BOBTOpЫX, можно попытаться найти какиелибо очень
редкие и экзотические процеосы в обычных условиях
сеrодняшней Вселенной, процессы, в которых сверхтя
желые БОЗ0НЫ все же проявляются.
О первом пути проверки мы расскажем далее в раз
деле 24. Второй путь проверки описан в нижеследую..
щеl\f разделе,
21. РАСПАД ВЕЩЕСТВА ВСЕЛЕННОй
Мы давно привыкли R возможности взаим",
Horo превращения элементарных частиц. Тан, наПРИIер,
протон, сталниваясь с элентроном большой энерrии, мо'"
жет превратиться в нейтрон с испусканием нейтрино:
р + е--- -+ п + v. (21.1)
Свободный нейтрон распадается, превращаясь в протон
с испусканием электрона и антинейтрино:
п -+ р + е--- + v. (21.2)
Но во всех этих и друrих реакциях, в ноторых участву'"
ют частицы, состоящие из кварков, сохраняется барион...
ное число, как это подчернивалось в предыдущем разде..
ле. При пре,вращении, например, протона в нейтрон ме...
няется «аромат» одноrо из кварков, входящих в протон,
а именно, и...кварк превращается в dKBapK. В реакции
(21.2) ПРОИ1СХОДИТ обратное изменение аромата. Сами
RварIИ при этом нинуда не деваются, барионное число
сохраняетс. Таким образом, во всех известных ДО сих
пор реакциях выполняется закон сохранения барионноrо
числа.
82

Этот закон обеспечивает стабильность вещества Все-
ленной. Изза закона сохранения барионноrо числа про-
тон не распадается на более JIеrкие частицы, например
на позитрон и световые кванты. Но тут читатель может
задать вопрос: поче,му собственно протон должен вообще
иметь тенденцию распадаться на более леrкие частицы?
Если протон состоит из какихто частей (кварков), Ha
нреПRО связанных цветовыми силами в единую систему,
то с чеrо вдруr MorYT возникнуть какието причины ero
распада? 4
Дело в том, что тенденция к распаду частицы на бо-
лее леrкие с выделением энерrии отражает всеобщий за..
u
кон природы: систе}Iа стремится приити в состояние Q
МИНИМУ}IОМ энерrии, выделив при этом избыток имею..
щеiiся энерrии.
Иллюстрацией этоrо закона MorYT служить следую-
щие простые примеры. Пусть мы сжали пружипу (со-
общив ей эн:ерrию) и закрепили ее защелкой. Пружипа
стре:мится распрямиться, выделить сообщеiННУЮ ей при
Сiкатии эперrию, прийти в состояние с минимумом энер"
rии. Если защелку отнрыть или если она ненадежная
и сам:а случайно «сработает», то так и произойдет. Дру..
rой прим:ер. Тяж.елый камень находится в небольшой
впадине на вершине холма. Если подтолкнуть камень,
сообщив ем:у сравнительно небольшую энерrию, подняв-
шую ero на :край впадины, то дальше он уже сам ска-
тится вниз по внешнему склону холма, выделив в конце
пути куда большую энерrию, чем получил при первона
чальном толчке, и придет в состояние с минимумом энер--
rии. Таким образом, у системы, обладающей запасом
эперrии (как rоворят, возбужденной системы), всеrда
есть «желание» от нее избавиться, прийти в наинившее
энерrетичесное состояние. Как rоворят физики, ей это
«энерrетичеСI\И выrодно». Для пребывания в возбужден-
ном энерrетическом состоянии надо, чтобы была какая...
то причина, мешающая системе освободиться от избытка
энерrии (защелка или впадина в приведенных выше
ПРИl\fерах) .
Теперь вспомним, что по формуле Эйнштейна энерrии
всеrда соответствует масса: Е == тс 2 . Значит, возбуждеНf
ное состояние всеrда более массивно, чем невозбуждеIJ'.
ное. Теперь YiI\e нетрудно понять, что если элементарная
частица в принципе может распасться на более леrкие
u
частицы, сумма масс которых меньше исходно и частицы,
то это 0значат, что при распаде должна выделиться
6*
83

энерrия, равная соrласно фОР}Iуле Эйнштейна разности
масс исходной частицы и сумме масс возникающих при
распаде частиц. То есть таной распад энерrетичесни BЫ
rоден. Чтобы он не происходил сам собой, должна быть
Rакаято причина, ему препятствующая, или, на языне
физинов, какойто запрет. В случае протона препятстви
ем превращения ero в позитрон (ноторый rораздо леrче
протона) с выделением энерrии в виде световых квантов
я'вляется закон сохранения барионноrо числа *).
Сделаем еще одно пояснение. Почему мы rоворим, что
протон, если распадается, то не превращается целином в
кванты света, а обязательно остается еще и позитрон?
Дело в том, что протон электричесни заряжен, а элентри
ческий заряд не может исчезнуть........ это cTporo сохраняю
щаяся величина, определяющая электрическое поле па
большом от Hero расстоянии. Поэтому при распаде про-
тона обязательно должна возниннуть положительно за
ряженная частица, наследующая ero элентричесний за
ряд. Позитрон и является I наилеrчайшей положительно
заряженной частицей.
Теперь читатель уже, наверное, сам может сделать
вывод, что позитроны (так же, нак и электроны) должны
быть стабильны, они никоrда не распадутся, ибо более
леrНих заряженных частиц не существует, а электриче..
сний заряд исчезнуть не может.
Помимо протона неоrраниченно долrо (как счита...
лось) мотут существовать и друrие стабильные атомные
ядра, та:кие, нан, снажем, ядра rелия или железа. НеЙ 1
троны, входящие в состав этих ядер, столь же стабиль'ны,
кан и протон, в отличие от свободноrо нейтрона, HOTO
рый распадается за 15 минут, превращаясь в протон
(но тоже с сохранением барионноrо числа; СМ. реакцию
(21.2) ).
в предыдущем разделе МЫ узнали, что существуют
частицыпереносчики универсальной силы, обмен которы"
ми ведет к. нарушению закона сохранения барионноrо
числа, и кварни при этом MorYT исчезать, превращаясь в
лептоны. Правда, эти Х.. и У-частицы MorYT рождаться
тольно при очень больших энерrиях, порядка 10 Н ' rэв,
не достижимых ни в каких реальных процессах в сеrод-
*) Отметим, кстати, что распад свободноrо нейтрона по реак"
ции (21.2) происходит сам собой, так как масса нейтрона больше
суммы масс возникающих частиц и этот процесс энерrетически
выrоден.
84

няшней Вселенной. Однако x и Участицы MorYT, хотя
и на очень короткий промежуток времени, рождаться в
виртуальных процессах. На рис. 21 показана схема пре...
вращения, которое может произойти в протоне, состоящем
из двух иKBapKOB и одноrо dKBapKa, изза рождения
виртуальноrо ХБQ30на. Два иKIBapKa с помощью вир...
туальноrо Хбозона превращаются в антилептон (е+ по...
зитрон) и антикварк а. Этот антикварк d объединяется
вместе с dKBapKoM в систему  пОмезон. Последняя ча...
стица затем распадается на световые кванты,
IJ.
 +
> X а: }л о <
Р!
ll.
d
Рис. 21. Распад протона, состоящеrо из двух иKBapKOB И ОДНО..
ro dKBapKa. икварки с помощью Хбозона превращаются в по..
зитрон е+ и aKBapK. Этот aKBapK объединяется с dKBapKoM в
1tОмезон. Затем Л<>мезон распадается на 'Уфотоны
Таним образом, в результате этоrо проце1сса протон
превратился в позитрон и световые кванты. Но ни по..
зитрон, ни световые кванты не обладают барионным чис-
лом:. Барионное число исчезло, протон распался! 3ащел-
и и u
кои, мешающеи произоити энерrетически выrодному про...
цессу, здесь являлась очень большая масса Х--бозона. Но
эта «защелка» не абсолютно надежна. Иноrда она «ло...
мается», и происходит распад.
R счастью, такие процессы распада протона чрезвы..
чайно редКИ, иначе бы все вещество Вселенной давно
бы распалось. Редкость данноrо процесса обусловлена
тем, что очень мала вероятность обмена внутри протона
сверхтяжелым виртуальным бозоном. В простейших ва-
риантах теории Велиноrо объединения среднее время
жизни протона оценивалось в '{р  1031 лет! Но суще-
ствуют варианты теории, которые приводят к временам
'{р  103 лет и даже больше. Это фантастически большие
сроки. Напомним, что с момента начала 1>асширения Все...
ленной до наших дней прошло «BcerO» около 1010 лет.
Можно ли какимлибо способом зареrистрировать этот
редчайший процесс и тем самым подтвердить правиль.
ность теории? Да, в припципе можно. Для этоrо надо
взять очень MHoro протонов. Вероятность распада каждо-
85

ro из них очень мала, но хотя бы один протон из боль-
шой совокупности раепадается за приемлемое время.
Так, если взять 1031 протонов, а это значит взять ОI\ОЛО
10 тонн вещества, то при уназанном выше врем:ени ЖИЗ 48
НИ протона Тр  1031 лет за rод распадается один из них.
Е,сли бы удалось зареrистрировать такой распад, то
это было бы прямым: подтверждением теории Великоrо
объединения. Конечно, аареrистрировать распад еДИНИЧ 48
Horo протона из таной большой массы очень трудно.
Эксперименты по поискам распада протона были начаты
в 19791980 rr. Суть их заключалась в следующем.
Берется большое Rоличество I{акоrолибо вещества, ска-
жем, несколько тысяч тонн воды или железа. Это веще-
ство вместе со специальными счетчиками, которые }IOI'yr
реrистрировать частицы  продукты распада протона,
помещают ПОД толщей rpYHTa (например, в тоннеле под
rорным массивом или в rлубокой шахте). Это делается
для Toro, чтобы защитить всю установку от действия
космических луqей, создающих ПОIехи в ее работе. Одна
иа первых попыток найти распад протона была осуще 48
ствлена на Бксанской подземной лаборатории IIнститу-
та ядерных исследований АН СССР на RаВRазе. Затем
были проведены наблюдения на еще более массивных
установках. К настоящему времени достоверных случаев
распада протона зареrистрировапо не было. Это означа 48
.ет, что время жизни протона больше, чем было оценено
в простейших вариантах теории, и ДQЛЖНО превышать
1032 лет. Сейчас обсуждаются проекты и строятся детек--
торы с массой, превышающей десятки тысяч тонн.
Подчеркнем, что описанному выше распаду за счет
рождения виртуальноrо Х.. или Убозона подвержены не
только протоны, но таRже и нейтроны в стабильных
атомных ядрах. Такие распады нейтронов должны ПрО48
исходить столь же редко, как и протонов.
Приведем еще следующий любопытный факт. Впер48
вые нижний возможный предел л\изни протона был оце 48
нен rольдхабером, ноторый использовал в качестве мас-
сы детектора.,. человечеСRое тело, а в качестве счетчи
нов  здоровье человена! Он рассуждал СJlедующим об 48
разом. Распад протонов (и нейтронов в стабильных ЯД48
рах) в теле человека порождает процессы, аналоrичвые
радиационным, разрушающим ности.
ИзвеIСТНО, что за время человеческой жизни (ОRОЛО
70 ef) эти процессы если они и есть, то совершенно
незаметны, чтобы повлиять па наше здоровье. Отсюда
86

можно оценить маRсим:альную дозу излучения, KO
торую мы получаем: в течение жизни изза распада про..
тонов, а значит, и НОJIичество распавшихся протонов за
70 лет. Зная это число, у/не леrI\О рассчитать минималь..
но возможное время жизни протона. Оказывается, что
протон должен жить в среднем: не менее 1016 лет. Rонеч..
но, эта оценна MHoro rрубее приведенных выше, но зато
она и получена совершенно элементарным путем.
R наним следствиям для будущеrо Вселенной ведет
заключение о том, что все вещество, из ROToporo состоят
небесные тела и мы сами, должно в Rонце нонцов pac
пасться (хотя и очень несноро!) ? Эту проблему мы об
судим: отдельно в разделе 34.
11TaH, ПОRа распад протона не обнаружен ЭRсперимен'"'
тально и продолжаются упорные поисни этоrо процесса,
требующие, помимо Bcero прочеrо, оrромных м:атериалъ--
ных затрат для строительства rиrантских подземных ла...
боратории. Физини надеются на успех таких ЭRсперимен...
тов. Эта вера, помимо теоретичесних предпосылок, осно",
вана еще и на том, что во Вселенной существуют, RaK
},Ibl УВИДИI, следы прошлых процессов с x и Убооона",
МИ, а и:менно эти частицы и ведут н распаду протона,
22. МЕЧТА ЭйНШТЕйНА
На наших rлазах происходит осуществлеаие
великой научной мечты Эйнштейна  мечты об объеди...
не нии всех сил природы. Кан мы видели, при энерrиях
1014 rэв объединяются три силы: элеКТРОlаrнитная, сла...
бая и сильная. Единственная сила, оставmаяся пона в
CTopOHe, это rравитационная, действию ноторой подвер'"
rаются абсолютно все виды материи. Осталось HeMHoro 
объединить силу rравитации с уже объединенной ун и...
версальной силой ВеЛИRоrо взаимодействия. Но этот по..
следний mar ОRазался и самым трудным. Прежде че:и
обратиться н современным попытнам объединить силу
rравитации с друrими силами природы, HaI придется
иыслепно отправиться н началу нашеrо столетия, ноrда
rением Эйнштейна была создана современная теория rpa...
витационноrо поля.
Напомним, что специальная теория относительности
Эйнштейна объединила в единую сущность пространство
и время. Казалось бы, что может быть более несхожим,
что может разниться более по своей природе, че}I про..
стравство и вре11Я? НО теперь даже mнолыIки знают,
61

u
что пространство и время  это два проявления однои
сущности  проявление пространственновременно:r:о HOH
тинуума. Если мы рассматриваем медленные движения
тел, то пространство и время выступают совершенно не...
зависимо друr от друrа. Но при сноростях, близних R
снорости света, совместно меняются и rеометричесние
свойства пространства, и темп течения времени. Тела
становятся нороче в направлении движения, а время те...
чет медленнее, явно проявляется связь пространства и
времени, их единство.
Общая теория относп-rельности, являющаяся совре...
менной теорией rравитации, исходит из Toro, что rрави-
тация  это проявление ис!\ривления четырехмерноrо
пространства...4времени. Тяrотеющие массы ис!\ривляют
пространствовремя, а евободные тела движутся в ЭТОI
иснривленном пространствевремени по инерции по нрат-
чайшим линиям точно так же, !\ан и в отсутствие тяrо-
теющих масс. Тольно в отсутствие тяrотения простран-
ствовремя не иснривлено и !\ратчайшие линии  прямые,
в ис!\ривленном пространствевремени !\ратчайшие ли-
нии.......... уже не прямые, а танже иснривлены. Мы не бу-
дем здесь снольнонибудь подробно останавливаться на
идеях общей теории относительности *). Нам достаточно
знать, что Эйнштейн поназал следующее: природа rpa...
"\-
витационноrо поля по существу rеометричесная........ это
кривизна пространствавремени. Добавим еще, что rpa-
витационное поле, на!\ и эле!\тромаrнитное, в определен..
ных условиях может проявлять !\вантовые свойства. Кван-
тами элентромаrнитноrо поля являются фотоны. }{ванты
rравитационноrо поля  rравитоны. Это по!\а еще не
\ отнрытые rипотетичеСRие частицыпереносчи!\и rравита-
ционноrо взаимодействия. Они обладаIОТ целым СПИНОI,
равным 2. rравитоны, так же !\ак и фотоны, не облада..
ют массой по!\оя и всеrда движутся со с!\оростью света.
А. Эйнштейн был rлубо!\о убежден в том, что и при..
рода эле!\тромаrнитноrо поля та!\же должна быть reoMeT-
рической. Всю вторую половину жизни он посвятил
попыт!\аl'fI найти rеометричес!\ое представление эле!\тро"
маrнитноrо поля, !\оторое, он считал, определяет мак..
РОСRопиче,с!\ие свойства вещества. В ero уравнениях тя"
*) Несколько подробнее об это:м читатель :может узнать, на..
пример, из книrи: Враеин'спий В. В., ПолН,арев А. r. "Удивитель-
ная rравитация. М.: Наука, 1985. (Библиотечка «Квант»,
Bbln. 39).
88

rотения с ОДНОЙ стороны стоят величины, описывающие
кривизну пространствавремени (так называемый тензор
:кривизны), а с друrой  источник тяrотения, источник
кривизны  Iвеличины, описывающие вещество и Herpa..
витационные поля (так называемый тензор энерrииим"
пулЬ'са материи). Эйнштейн верил, что такая двойствен..
ность должна быть чуждой и противоестеС11Вепной для
окончательной теории. Если слева в уравнениях стоят
rеометрические величины, то и справа должны быть ве..
личины той же rеометрической по существу природы.
А это значит, считал Эйнштейн, что описание вещества
и полей должно быть rеометричеlСКИМ. Известный поль..
ский ученый л. Инфельд вспоминает, как Эйнштейн ему
сназал однажды: « ... теория относиельности опирается
на две колонны. Одна из них  мощная и прекрасная,
будто выточенная из мрамора. Это  тензор кривизны.
Вторая  шаткая, словно соломенная. Это тензор эпер...
rииимпульса... Мы должны оставить эту проблему бу..
дущему» .
Настойчиво работая над этой проблемой более трех
десятков лет, Эйнштейн думал, что недалек от оконча...
телыIrоo решения. В 1945 r. он писал л. Инфельду:
«Я надеЮ1СЬ, что открыл, как тяrотение и электричество
связаны дpyr с друrом, хотя до физическоrо оправдания
ещз далеко». В своих попытках объединить электриче...
ство и rравитацию Эйнштейн ввел новую rеометрическую
характеристику пространствавремени. Помимо искрив...
лениости, описывающей rравитацию, он ввел еще «за...
:крученность» для ОПИ l сания электромаrнитных явлений.
Однако эти ero конкретные попытни к успеху не приве""
ли и объединенная теория создана не была.
В 20e rоды немецкий физик Т. IiаЛ}'ца и шведский
физик О. Клейн попытались объединить rравитацию
Эйнштейна и электромаrнетизм Максвелла также на reo...
метрической основе, но идя совсем друrим путем. Они
предположили, что пространствовремя отнюдь не четы...
рехмерно (три пространственные координаты пюс вре...
мя), а пятимерно, и ввели еще одну пространС\венную
координату. Эти физики написали уравнения для искрив--
ленности пятимерноrо мира, подобные уравнениям rpa..
витации Эйнштейна для четырехерноrо мира. Оназалось,
что дополнительные уравнения, которые при этом возни...
Rают изза наличия еще одноrо измерения, являются
уравнениями электродинамики Максвелла. Таким обра..
зом, оказалось, что электромаrнетизму можно также при..
89

дать rеометричеСI\ИЙ с:мысл, правда, веСЬ!Iа необычный.........
связанный с наличием пятоrо измерения.
Попытку объединения Калуцы и Клейна также нель...
эя было признать окончательно успешной. Помимо MHO
rих трудностей, о которых мы здесь rоворить не будем,
в их теории СУlцествует вполне очевидная пробле:ма: по..
чему добавочное пространственное измерение никак ре..
ально не проявляется в нашем мире? Почему мы С те...
чением времени м:ожем перемещаться в пространстве
только в трех направлениях (длина, ширина, высота),
но не можем двиrаться в этом, еще одном дополнитель...
ном измерении? Для устраненил этой трудности Калуце
и Клейну приходилось делать дополнительные, весьм:а
искусственные предположения, запрещающие по суще...
ству двиrаться в новом измерении.
Таким образом, первые попытки объединения сил
природы можно считать только весьма предварительной
разведкой. Мы уже знаем, что в середине нашеrо столе...
тия мноrие фИЗИRИ относились к этим попыткам весьма
скептически.
Но верне:мся в наше время. В предыдущих разделах
описано, как современные физики пришли н понятию
единства разных сил природы при больших энерrиях.
Для этоrо использовались и rеометрические идеи  идеи
симметрии. Однако это была симметрия не в реаЛЬНО1
физическом пространствевремени, а симметрия в вооб...
ражаемом абстрактном пространстве, изображающем рвз'"
личные состояния частиц и полей, т. е. в абстрактном
пространстве, описывающем внутренние характеристини
частиц. Теперь, коrда мы обращае:м:ся к идее объедине..
ния всех сил с rравитацией, нам надо вспомнить, что
...
rравитация связана с кривизнои реальпоrо пространства...
времеци. Поэтому при построении суперобъединения нам
невольно придется KaKTO объединить rеометрические xa
рантеристики четырехмерноrо пространствавремени с xa
рактеристиками пространства внутренних состояний. Как
это можно сделать? И каной в этом смысл?
Прежде чем приступить R раССКазу об этом, отметим
еще одно обстоятельство. РаССhlатриваемые нами части...
цы мы делили на два больших нласса: на ферм ионы .........
частицыI физической :м:атерии и бозоны  частицыпере...
носчики взаимодействий. Первые частицы обладают по...
луцелым СПИНОl\f, вторые  целым. Эти два класса частиц
совершенно различны по свои:м свойствам. До сих пор,
Коrда мы rоворили О взаимодействиях, эти два нласса
90

выступали в совершенно разных «ипостасях» t Возоны,
передавая взаимодействие, !{ан бы «оБСЛУЖИJвали» фер
МИОlIЫ. Не моrло быть и речи опревращении фермионов
и бозонов друr в друrа.
Но если речь идет об универсальном объединении
всех видов взаимодействий в некое единое взаимодей...
ствие, то возникает мысль: нельзя ли и фермионы, и бо-
зоны тоже объединить в какуюто единую сущность?
Тоrда фермионы и бозоны будут только разными ее про-
явлениями. ПОСJlе Toro как мы уже познаномились с
объединением соврем:енной физикой столь несхожих ве-
щей, как, например, пространство и время, электромаr
нетиз:м и ядерные силы, мысль об объединении COCTaB
ных частей вещества и пере носчиков сил уже не кажет..
ся столь абсурдной.
Более Toro, оказалось, что объединение rравитацион.
ных сил с друrими сила:ми включает в себя и объедине4l!
ние бозонов и фермионов.
Конечно, эта суперсим:метрия всех сил, всех частиц
может проявиться только при очень больших энерrиях,
а в обычных условиях должна быть тщательно скрыта,
нарушена, т. е. частицы вещества, частицы...переносчики
и разные силы совсем не похожи друr на друrа. Каковы
же должны быть те энерrии, при которых проявляетс
единая природа всех фундаментальных взаимодействий?
Эту эперrию леrко оце!IИТЬ. Действительно, здесь должны
проявиться все фундаментальные силы, а значит, должны
одновременно иrрать роль фундам:ентальные константы,
описывающие: 1) квантовые свойства м:атерии (это П0 4
стоянная Планка п); 2) предельные скорости (конста:в:...
та с); 3) тяrотение (константа G). Из этих констант
можно скомбинировать величину размерности энерrии
(ее называют планковской энерrией):
1/ c 5 1i,
Е п == V G  1019 rэв.
(22.1 )
Эта энерrия и должна быть энерrией объединения всех
сил в природе, включая rравитационные, она еще на пять
порядков больше, чем: энерrия Велиноrо объединения.
Мы вынуждены будем оrраничиться CBceM: краткими
зам:ечаниями по поводу некоторых современных вариав...
тов суперобъединения. Причин здесь несколько. Вопер..
вых, пояснения очень трудно сделать качественно, т. е.
без фОрlУЛ, да к то:му же необходима краткость, ибо все
же цель нашей книrи несколько иная. BOBTOpЫX, спе...
91

циалисты еще ОТНIОДЬ не уверены, что они здесь выявили
хотя бы rлавные черты явлений, и работа продолжается
ШИрОКИI фронтом и В разных направлениях.
Напомним прежде Bcero ПОПЫТI\У объединения в один
объект rравитации и электромаrнетизма, сделанную Ka
луцей и I\лейном. Для это1'О потребовалось ввести ДОIIОЛ
пительное пространственное измерение.
Нам теперь предстоит объединить с rравитацией все
виды сил и частиц. Возникает идея  нельзя ли сделать
это, введя новые дополнительные измерения простран
ства. Эта идея оказалась весьма плодотворной. В настоя...
щее время есть варианты теории, в которых рассматри",
вается 10, 11 и даже 26 измерений вместо обычных че...
тырех у пространствавремени. (Наиболее предпочтитель
на, вероятно, теория с 10 измерениями.)
rеометрические свойства этих дополнительных изме...
рений и позволяют с единой точки зрения описать все
проявления свойств вещества и переносчиков взаимодей...
ствий. Тем самым осуществляется великая мечта Эй н...
штейна.
Но спрашивается, как же решается уже отмечавшая-
ся проблема: почему мы не обнаруживаем на практике
реально дополнительных измерений в нашем мире, т. е.
почему, например, в этих дополнительных направлениях
нельзя двиrаться, как это иноrда описывается в фанта...
стических романах. Выход из этоrо затруднения состоит
в идее так называемой компактификации. Соrласно этой
идее дополнительные пространственные измерения CKpy
чены, замкнуты (как одно из измерений листа, CBepHY
Toro в цилиндр). Эти дополнительные измерения « ком...
пактифицируются», коrда энерrия уменьшается ниже
планковской. Причем радиус «свернутых» ИЗ1vlерений
ничтожен  он равен так называемой IIланковской длине
rп  103З см. Эта длина, как и планновская энерrия, тан...
же может быть выражена через фундаментальные кон...
станты природы:
1 / G1i, 10 3З
rп == у 3  см.
с
(22.2)
Ясно, что ничтожная протяженность в дополнительных
измерениях в обычных условиях сравнительно неболь...
тих энерrий и не позволяет обнаружить эти измерения.
Они проявляются тольно косвенно в виде разнообразия
мноrих сил и зарядов частиц.
g2

Суперсимметрия предполаrает существование целоrо
ряда новых частиц. Мы подчеркивали, что суперси:ммет
рин объединяет фермионы и бозоны. RаЖДОfУ полю,
каждой частице здесь соответствует суперпартнер. Так
помимо rравитонов  переносчиков rравитационных сил
со спином 2, являющихся бозонами, теория включает
еще танже rравитино  частицы со спинаl\fИ 3/2 (Т. е. фер
IИОНЫ), которые в обычных условиях обладают массой
(вероятно, ПОрЯДRа 1001000 rэв). Фотону соответст"
вуют тяжелые «фотино» со спином 1/2 (lacca их, не...
роятно, таRже 1 oo 1 ooo rэв), и т. д.
Существуют теории с весы\аa сложными и экзотиче..
СЕИМИ наборами частиц. Мы, однако, вынуждены здесь
остановиться в нашем увлеRательном путешествии в об
ласть, еще в значительной степени неизведанную *).
23. ДИКОВИНКИ ВАКУУМА
Прежде чем расстаться с удивительным ми..
ром элементарных частиц и их взаимодействий, нам пред..
стоит познакомиться с Диковинными образования:ми, cy
ществование ноторых предсказывается современной тео..
рией пустоты.
Чтобы пояснить основную мысль, мы рассмотрим
очень упрощенный пример. Для этоrо давайте вернемся
к рис. 20. Там мы рассматривали, как образуется новый
несимметричный вакуум, коrда хйrrСОВСRое поле «скаты...
вается» с потенциальной «rОРRИ» в «ложбину». На ри
сунке ropKa нарисована зависящей только от одной KO
ординаты, обозначающей величину поля ер. Представим:
себе, что у поля имеются две компоненты ер1 и ер2 И rop
ка имеет вид настоящеrо холмика, возвышающеrося над
круrлой ложбинкой (см. рис. 22). Теперь шарик, поло
женный на вершину, может скатиться в любое место
круrовой ложбинки. Это значит, что наинизшее энерrе..
тическое положение шарика теперь может быть различ...
ным и характеризуется точкой в ложбине. Ta точка MO
жет отмечаться направлением (стрелкой), по которому
скаТIвался шарик с вершины. Таким образом, наиниз
ПIее энерrетическое состояние должно характеризоваться
*) 'Укажем заинтересованному читателю, что более rлубоко
с этими вопросами он может познакомиться, например, по попу
лярному сборнииу: Семь путешествий в мииромир. М.: Наука,
1986; или по иниrе: О"уuь Л. Б, a.'Y... Z. М.: Науиа, 1985.
(Библиотечка «Квант», вып. 45).
93

еще и стреЛRОЙ. В разных точках пространства новый
BaRYYM Mor образовываться при «СRатывании» поля по
разным направлениям, т. е. стрелна вануума может быть
ориентирована поразному, плавно поворачиваясь от Me
ста к месту.
Изобразим теперь :картину подобных стрелок в раз
вых точнах на плосности. Может случиться так, что,
2.
Рис. 22. Шарик, скатившийся в ложбину, в случае, коrда поле
характеризуется двумя компонентами С:Рl и С:Р2. Положение шарика
в ложбине (состояние вакуума) характеризуется направлением
(стрелкой) в условном пространстве на плоскости С:Р1С:Р2
плавно поворачиваясь от ТОЧRИ R ТОЧRе, стреЛRИ совер..
mили полный поворот, RaK по:каэано на рис. 23. Тоrда
всеrда найдется таRая точна (А на рис. 23), вблизи и
BOHpyr RОТОРОЙ стрелни имеют самые разные направле
\1 
 ,"
/ 1\ "
" \ \
I  \ \ \ \
J \ + \
Рис. 23. Точки плоскости изобража-
ют точки нашеrо физическоrо про-
странства, а разные ориентации
стрелок символизируют разные со...
стояния вакуума в разных точках
пространства. В точке А стрелке
нельзя придать никакоrо определен.
Horo направления, здесь «новый»
вакуум ВОЗНИI-tнуть не Mor
пия. Таним образом, в ТОЧRе А нельзя придать стрелке
нинаноrо направления та:к, чтобы оно плавно переходило
в направления в соседних точнах. Это значит, что поле ер
в данном месте не сможет снатиться с rорки ни по Ka
кому на:правлению, чтобы вместе с друrими стреЛRами
94

образовать НОВЫЙ вакуум с плавным: поворотом от точив
к точке. В данной точ}\е А останется старый вакуум,
а BO}\pyr будет вакуум новый!
Интересная механическая аналоrия возможности воз--
никновения та}\ой странной ситуации, }\оrда система стре..
мится перейти в более выrодное энерrетическое состоя..
ние, но не всем точкам системы удается это сделать,
была придумана физиком УНРУ.
Рассмотрим множество карандашей, еrоящих верти..
кальво на плос}\ости и соединенных между собой резин..
}\ами, закрепленными У верхних концов карандашей
(рис. 24). Ясно, что вертикальное положение каранда...
U U U U
шеи неустоичиво, каждыи из них при малеишем сотря"
сении стремится упасть.. Но направление, в котором нач-
нет падать каждый карандаш, случайно. Конечно, все
}\арандаши MorYT упасть примерно в одном направлении
(рис. 25). Тоrда вся система карандашей перейдет в бо..
лее выrодное энерrетическое состояние лежащих каран...
дашей. Но представим себе, что карандаши в разных
далеких друr от друrа точках начали падать случайно
в разные стороны (рис. 26), увлекая за собой резинками
соседние карандаши. Тоrда возможно, что BOKpyr како..
rолибо карандаша (А на рис. 27) ero соседи упадут по
разным направлениям, натяrивая за собой резинки. В ре..
зулыате карандаш А вынужден будет остаться стоять,
за}\репленный в таном положении растяжкамирезин'"
ками. Теперь ero положение вполне устойчиво и он не
будет падать даже при заметных сотрясениях. Та}\ и в
U
случае хиrrсовскоrо поля; оно может BOKpyr ка}\оито
точки «с}\атиться» с rорки в разных направлениях и
тянуть за собой поле в данной точке, которое, иак наран--
даш на растяжкахрезинках, уже не может в этой точке
«скатиться» с rорки и останется в первоначальном по..
ложении.
Похожие ситуации 1\-Iоrут возникать не только на
плоскости, но и в пространстве. Так оказывается воз..
можно при спонтанном нарушении симметрии с пониже..
нием температуры образование HOBoro вакуума, в кото.
. U
рый вкраплены точ}\и cTaporo ва}\уума и этот старыи ва..
куум не может разрушиться, це может перейти в новый
по аналоrии с тем, }\ак нарандаш А не может упасть и
присоединиться к своим соседям. Необходи:мость возник-
новения та}\их удивительных объектов в теории Вели}\оrо
объединения была ПОRазапа совеТСRИМ Физи}\ом А. М. По..
ЛЯRОВЫ,м И аIерИRаНСRИМ физином r" т'Хофтом в 1974r.
95

Что же это за образования? Свойства их ДОЛiI\НЫ быть
удивительны. Прежде Bcero оказалось, что они должны
быть изолированными маrнитны:м:и полюсам:и.
Обращали ли Вы внимание, читатель, на следующее
весьма странное обстоятельство? Среди элементарных ча..
стиц есть электрически заряженные, но нет :м:аrнитоза..
ряженных! Конечно, мноrие элементарные частицы обла..
дают маrнитными свойствами. Но при этом они пред"
Рис. 24. Стоящие па плоскости Rарандаши, соедипепцые резии-
ками
Рис. 25. Все карандаши упали в одну сторону
ставляют собой маленькие маrНИТИI\И, т. е. у них всеrда
есть и северный, и южный маrнитные полюса одновременно.
Ни в мире элементарных частиц, ни вообще ниrде в при..
роде не обнаружен изолированный только, скажем, се..
верный или только южный маrнитный полюс. Они BCTpe ooi
96

.чаются обязательно в паре. Если разрезать маrнит по..
полам:, то мы не получим, I\онечно, отдельно северный
и южный полюса, а получим: два l\fаrнита и у кал\доrо
Рис. 26. Карандаши слева и справа на рисунке начали падать в
разные стороны
Рис. 27. Rарандаши BOI\pyr А упали в разные стороны. Карандаш
А остался стоять, за.RрсплеНIIЫII рrзинкамираСТЯiIп\ами
будет пара ПОЛIОСОВ. В то же вреуIЯ изолированный элект...
ричеСI\ИЙ заряд  И положительный, и отрицательный 
встречается сплошь и рядом. Почему это raI\? Чем Mar..
нитный заряд хуже электрическоrо? Да ни чем! Еще
7 Па Д Вовинов 97

в 1931 r. анrлийский физии п. Дираи по:казал, что изо..
лированные !vlаrнитпые заряды, :каи rоворят, !.Iаrнитные
:монополи, вполне M:orYT существовать в природе. Физи..
ни уже давно пришли :к твердо:му убеiIдению, что все
то, что не запрещено специально закона}fИ природы,
должно реально существовать (хотя ивоrда и является
весь:ма редиим или существующим в эизотических ус..
ловиях ) .
Такова же судьба и пре;з;сказанноrо Дираком маrнит"
Horo :м:онополя. Он должен существовать, соrласно Teo
рпи Великоrо объединения, в виде ВI\рапленпй cTaporo
BaKYYIa в новый. От этоrо образования исходят маrнит"
ные силовые линии, точно так же, каи из электрона ис
ходят силовые линии электрическоrо поля. Однако меiНДУ
1\Iаrнитны:м монополем и электроном есть весьма супе
ственные различия. ПреiIде Bcero 1аrнитный :монополь
очень массивен. Ero масса должна БыIь,, вероятно, около
1016 rэв. Даже с нашей :макроскопичеСRОЙ точки зренпя
это не таи уж мало и соответствует 108 r.
Но наиболее существенное отличие МОНОПОJIЯ от ис
тинно элементарных частиц состоит в TO1, что он обла
дает сложной внутренней структуроЙ в пространстве.
Большая часть ero массы сосредоточена в очень 1\fалень
HO{ объеl\Iе........ Bcero 1028 см в поперечнике. Этот размер '1
во столько же раз :меньше pa3l\1epa протона, во сколько
:малеНЬRая l\fOHeTKa меньше всей Солнечной системы!
Внутри этоrо нрошечноrо объема сосредоточена большая
энерrия, там царит Великое объединение всех сил пrи
роды (кроме rравитации). BOKpyr этоrо ЯДРЫШRа есть
зона, rде мноrочисленны x и УБОЗОIlЫ. Во внешних,
достаточно разреженных областях, И}lеются vV+, w... и
ZОБОЗ0НЫ. Внешние rpаницы монополя Иl\fеют радиус
ОRОЛО 1015 см. Читатель наверняка уже доrадался, что
оrромная масса монополя является непреОДОЛИl\fЫМ пре
пятствием для получения ero на ускорителях. Однако,
нак мы увидим, монополи моrли остаться в виде релик
тов процессов в очень, очень ранней Вселенной. RaJ\
МОilПО было бы их Щlреrистрировать? Простейший путь
СОСТОИТ в следующем. 11редставим себе, что и:меется
I\руrовая петля сверхпроводника, по ноторой течет элект..
ричеСRИЙ ток. Если маrнитный монополь пролетит сквозь
такое КОJIЬЦО, то это приведет и появлеНИIО элеитродви"
iнущей силы в кольце и ток в нем внезапно изменится,
что l\foiI-\ет быть зареrистрировано. Разу:меется, при этом
должны быть приняты специальные меры запиты этоrо
ев

I\ольца от друrих причин, ноторые MorYT привести R BHe
вапным ИЗl\lенеНИЯI тока в кольце.
Подобные эксперименты были проведены в начале
80x rодов в СТЭНфОрДСКОl\1 университете (США) Б. hаб..
рерой. Он использовал в качестве проводника ниобиевое
кольцо диаметром: 5 см и охлажденное почти до темпе
ратуры абсолютноrо нуля. В 1982 r. он объявид, что
после 150 дней наблюдений им зареrистрировано измене
вие тона в кольце, которое может быть вызвано проле
том монополя. Однако надежных подтверждений этоrо
результата пона нет и БОПрОС остается отнрытым.
С друrой стороны, мы знаем, что есди монополи и
есть в сеrодняшней Вселенной, то их не может быть
слишном MHoro. В качестве детектора здесь опять высту"
паю т астрофизичесние наблюдения. Известно, что в на..
шей rалактике имеются крупномасштабные маrнитные
поля напряженностью около 106 э. Монополи должны
двиrаться под действием: этих полей, что приведет R
Уlеньшению их напряженности, подобно тому, нан ДВИ"
жение электричесни заряженных частиц по ПРОВQДНИКУ
от ПОЛIоса к ПОЛЮСУ батареи ВЫЗЫВАет уменьшение на..
прял\еНRОСТИ элентрическоrо поля. Так кан мы наблюда
ем rалактическое маrнитное поле и знаем процессы, ко..
торые M:orYT ero rенерировать, то можно подсчитать то
маНСIIl\lально воз:можное количество м:онополей, которое
моrло бы быть во Вселенной, не вызывая еще очень
быстроrо УIеньшения rалантичесноrо :м:аrнитноrо поля.
Оназывается, что в среднем во Вселенной на 1020 про..
тонов мол{ет быть не больше (}дноrо маrнитноrо моно..
поля.
Нанонец, l\IОНОПОЛЬ обладает еще одним свойством,
представляющим: незаурядный интерес. Нан читатель
помнит, внутри l\IОНОПОЛЯ, В ero сердцевине, плотность
энерrии orpoMHa и там в изобилии имеются переносчики
сил Велиноrо объединения. А эти переносчини MorYT
превращать кварки в лептоны, вызывая, в частности,
распад протона, коrда очень редно они рождаются в нем.
Советсний физик В. А. Рубанов в 1981 r. обратил вни
мание на то, что встреча монополя с протоном может
вести к драматичесним для протона последствиям. Части..
цыпереносчики сил Великоrо объединения внутри мо"
нополя MorYT взаимодействовать с кварнами протона, вы..
зывая ero распад. Так Iаrнитный монополь может слу..
жить своеобразным Rатализатором распада протонов. Сам
он при это:м не разрушается.
7* 99

Спонтанпое нарушение СИ1\1метрии в теории Великоrо
объединения может приводить и н друrим «CTpaHHЫI»
образованиям помимо монополей, с ноторыми мы ТОЛЬКО
что познаномились.
Так, соrласно деRОТОрым вариантам теории области
оrромной Rонцентрации энерrии MorYT сохраняться не в
отдельных ТОЧRах. пространства, HaR монополи, а в виде
длинных одномерных образований  струн или же в виде
двумерных образований, получивших название стенок.
И те и друrие cTpaHHfile создания не MorYT вознинать в
сеrодняшней Вселенной, они, нан и монополи, моrли бы
образоваться тольно в очень, очень ранней Вселенной.
Как и монополи, ни струны, ни стенни не обнаружены
физинами до сих пор. Но обо всем: этом на:м еще пред
стоит поrоворить, Rоrда мы будем рассматривать HOCfO
лоrические проблемы.
Итак, нам пора вернуться R Rосмолоrии. У нас теперь
есть представление о тех процессах, ноторые определя..
ли самое начало расширения Вселенной.
24. ВОЗВРАЩЕНИЕ К НАЧАЛУ;
ПОЧЕМУ ВО ВСЕЛЕННОИ
ЕСТЬ ВЕЩЕствq?
В нашем раССRазе об очень ранней Вселен
ной мы остановились, нак помнит читатель, на расстоя
нии 106 с от синrулярности, ноrда температура была
1013 1(, с тем, чтобы познаномиться с удивительным ми
ром оrромных энерrий. Теперь мы возвращаемся R пре...
рванному рассназу для Toro, чтобы еще ближе подойти
R великой тайне начала расширения Вселенной.
, Мы YiHe упоминали раньше о том общем методе, с По
мощью HOToporo выясняют, что происходило во Вселен
ной в далеком прошлом (см:. с. 52). Для этоrо находят
в сеrодняшней Вселенной «следы» тех процессов, HOTO
рые происходили вблизи синrулярности. Нам сейчас
предстоит отыскать «следы» наиболее «древних» про..
цессов.
Оказывается, что этими «следами» являются Самые
фундаментальные свойства окружающеrо нас мира. К Ta
ним свойствам относятся, например, тот фант, что Все...
ленная развивается в пространстве и времени, и что
пространство имеет три измерения, а время одномерно
(т. е. это чередующаяся друr за друrом смена событий) f
или еще что во Вселенной есть вещество. Читатель МО1
100

жет быть несколько озадачен: «В каком это смысле фун",
даментальные свойства Вселенной MorYT являться «сле..
дами» чеrо бы то ни было? Ведь фундаментальные свой..
ства Вселенной отражают свойства движущейся материи.
И задача науки познать эти свойства. Например, познать
свойства просранства и времени, но ведь бессмысленно
спрашивать почему всеобщими свойствами движущейся
Iатерии является то, что это движения в пространстве
и врем:ени? Так и хочется спросить........ а как же еще мо'"
жет быть? »
Озадаченность читателя понятна. Еще сравнительно
недавно сам вопрос: «Почему Вселенная такая?»  на...
зался бы диким. Но почему же диким? Научное любо...
пытство безrранично; безrранично и моrущество разума,
ПрОНИI\ающеrо в суть явлений. С познанием все более
rлубинных свойств материи меняется и сама постановка
вопросов в науне. На данном этапе настала очередь и
вопросов, подобных перечисленным выше, которые выrля...
длт по"rJ.ТИ фантастическими.
К вопросу о пространстве и времени мы еще вернем...
ел, а сейчас обратимся к фундаментальной заrаДRе су...
ществования вещества во Вселенной. Какая же тут за...
rадка, разве моrла бы быть Вселенная без вещества?
Не только моrла, но это было бы, на первый взrляд, наи..
более естественным следствием процессов в расширяю...
щейся rорячей Вселенной. Действительно, вспомним то,
о чем rоворилось на с. 58. При температурах MHoro
ббльших 1012 К все время рождалось и анниrилировало
orpOMHoe количество пар частиц и античастиц. Среди них
были электроны и позитроны, был:а протоны и анти"
протоны, нейтроны и антинейтроны. IlpPlC1 рОiI\денных
таким образом частиц наждоrо сорта БЫ.10 rримерно
столько, СI\ОЛЬКО реликтовых фотонов. «Rппдщиil I\отел»,
:который мы рассматрипа:r:и, содержал ПРИl\Iерно один а..
ковое число всех сортов частиц и их античастиц.
Если бы число тяжелых частиц и аНl'ичастиц было в
точности одинаково для каiI\доrо сорта, то в ходе расти...
роr:.-ТЯ они бы все проапниrилиро-вали, превратившись в
реЛIIнтовые фотоны п неЙтрппо, и во Вселенной, кроме
реЛИI\товоrо ИЗЛУЧS:1И,. и ноiiТРИIIО, вообще бы ничеrо не
осталось! Не ост ало ь бы uещества, из ROToporo потом:
формировались эве 3 {;:JI и планеты, и l\fЫ с nа:'.1 и.
110 поче:муто числа частиц и античастиц было не в
ТОЧПОLТII О"'ПТ:Т<:)V)НО, НО и посильно ОТJIичалось друr от
друrа. На kai-I"дыIe мпл:rиард пар частиц  античастиц
101

приходилась одна «лишняя)} тяжелая частица! С пони...
жение1 температуры миллиард пар проанниrилировали,
а эта «лишняя)} частица осталась. 11з таких оставшихся
частиц и возник весь окружающий нас сеrодня мир 
!!ир звезд, планет, rаза.
Опять мы видиf какуюто странную ситуацию: мил..
лиард пар и одна лишняя частица. Отнуда она взялась,
и почему одна на миллиард?
В этом и состоит проблем:а. До недавнеrо вреfени
считалось, что если «лишней» частицы не было с caMoro
начала, то она и не может возникнуть ни в ;каких реак",
циях. Считалось, что неизмеННЫf остается барIIонное
число  о HeI мы уже rоворили вь:rше, это разность чис..
ла барионов и антибарионов (разность числа кварков и
антикварков, деленное на три). Если с caMoro начаJlа
барионное число было равно нулю (не было «лишних»
частиц), то считалось, что оно будет всеrда равно нулю
(<лишние» частицы не появятся ни в каких процессах) .
Теория Вел'иноrо объединения ПОRазала, что это не таи.
При очень больших энерrиях, каи мы видели, ВОЗIОЖНЫ
реакции с нарушением сохранения барионноrо числа.
А это означает, что если «лишней» чаСТIIЦЫ и не было
с caMoro начала, то она, в принципе, 1\!ожет появиться
Впервые еще до создания теории Великоrо объединения
на такую возможность в КОС1vIолоrии rорячей Вселенной
указа.л советский физик А. д. Сахаров в 1967 r., затем
эта идея была развита В. А. Кузьминым в 1970 r.
Современная теория происхождения вещества в рас...
ширяющейся Вселенной была создана на основе Велико
ro объединения трудами мноrих ученых, среди которых
назовем американскоrо физика с. Вайнберrа и советских
физиков А. д. Долrова, В. А. Кузьмина, А. Д. Линде,
В. А. Рубаков Сейчас известно несколько механизмов
образования избытка частиц над античастицами. ОпишеI
мехаНИЗl\f, RОТОРЫЙ был предложен исторически пеРВЫl\l
для Toro, чтобы дать читателю понять, как'ие здесь име..
ются возможности.
Эти процессы связан,Ы, иак уже упоминалось, с пере..-
носчика:м:и сил ВеЛИRоrо объединения  Х... и: Убозона",
ми и тяжелыми хиrrСОВСJ\Иl\fИ частицаl\fИ в эпоху, коrда
температура была порядна 1027 К, Т. е. 101 rэв. Такие
температуры во Вселенной должны были быть, соrласно
фОРl'vIуле (14.5) при t  10Зi с. Именно на такие ничтож
ные промежутки времени мы теперь приближаемся It
синrулярности, При подобных температурах во ВселеН-4
10

ной имеется Сl\Iесь всех фундаментальных частиц и
точно TaHoro же количества их античастиц. Нинаноrо
избытка «лишних>} частиц не было. В дальнейшем: при
падении температуры ключевую роль иrрали процессы с
x, у.. и хиrrСОВСНИIИ бозонами. МЫ ДJIЯ простоты бу..
дем rоворить тольно об одном сорте частиц  об Хбозо..
не (хотя сказанное относится и к y, и хиrrсовским ба..
зонам). !\оrда температура падает НИi-ке 1027 К, Хбозоны
И их античастицы Х бозоны уже не MorYT эффентивно
рождаться. Но окаЗЬ]jвается, что процессы с ними стано..
вятся наСТОЛЬRО медленными по сравнению с темпом:
расширения Вселенной в ту эпоху, что они не успевают
сразу ни анниrилировать, ни распадаться и исчезать.
Тольно позже, ноrда пройдет достаточно времени, они
начнут распадться. Этот процесс и является теперь ос..
новным для дальнейш\еrо.
ПреДПОЛОiI\ИМ, что есть два нанала распада ХБОЗ0на
(и ero античастицы Х БОЗ0на):
1) ХБОЗ0Н с вероятностью r распадается на частицы
(на два антикварка) , суммарное барионное число для
которых В 1 -= 2/3;
2) Хб0301I с вероятностью 1  r распадается на ча..
стицы (нварн и лептон), суммарное барионное число
для ноторых В 2 == 1/3, причем В 2 =1= В 1 .
Рассмотрим объем пространства с п числом Хбозонов
и стольким же числом Х БОЗ0НОВ. Полное барионное чис..
ло после расп'ада ХБОЗ0на будет
в == [rB 1 + (1  r)B 2 ] n.
(24.1 )'
Аналоrичный процесс происходит с ХБОЗ0НО:М::
1) Х бозон С вероятностью r распадается на частицы
с суммарным барионным числом Bl == 2/3;
2) Х бозон С вероятностью 1  r распадается на ча..
стицы с суммарным барионным числом B2 == 1/3.
Заметим, что r =1= r изза несимметрии свойств частиц
и античастиц, уже давно известной Физинам.
Барионное число после распада Х бозона будет
В == [TB1 + (1  ')2] n. (24.2),
После распада Х.. и Х БОЗ0на барионное число онажетс.ц
равным
в + в == (r  т) (В 1  В 2 ) n.
(24.3I
ЭТО ЧИСJIО не равно нулю, так RaH r =1= f и В 1 =1= В 2 . Теперь
появился барионный заряд! Появился небольшой избыток
(03

частиц над античастицами. Этот небольшой избыток, :кан
мы видели, и требуется для объяснения сеrодняшнеrо
состояния Вселенной. Частицы и античастицы проанни...
rилируют в ходе расширения Вселенной, превратясь в
конце в свет (напомним, что во Вселенной остаются так...
же нейтрино), а избытон барионов останется........ он и яв
ляется обычным веществом сеrодняшней Вселенной *) .
Используя приведенную выше форм:улу (24.3), теория
позволяет рассчитать величину избытна частиц. Этот
избытон оказывается равным прибли,вительно одной мил
лиардной, что и требуется для соrласия теории и наблю..
дений, как сказано на с. 59.
Тан решается первая заrадка и объясняется, почему
все же во Вселенной сеrодня есть вещество, а не одни
фотоны и нейтрино. Еще раз подчернне:м:, что для объяс
нения нам пришлось рассмотреть процессы при Т 
 1014 rэБ === 1027 I( и приблизиться Н синrулярности при...
l\IepHO на 10З4 с. ДобаВИI, что, нак у/не упоминалось,
имеются и друrие механизмы образования барионноrо
заряда, в том числе и занр.нчивающиеся при температу...
рах порядка температуры элентрослабоrо взаимодействия,
Т. е. около 1015 К. Каной из них работает наиболее эф...
фективно, пона не совсем ясно.
К сказанному сделаем небольmое уточнение. Читатель,
наверное, отметил уже, что в процессах с Хбозонами об
разуются не сами барионы (т. е. протоны, нейтроны) и
мезоны, а их нварни (и, конечно, лептоны). При столь
высоких температурах, нак 10 а rэв, нварки не образуют
еще связанных систем........ барионов и мезонов. Тольно
:M:Horo вре:м:ени спустя, при:м:ерно к 104 с, I\оrда темпера...
тура упадет до неснольних сотен МэБ (1012 К), Rварки
объединяются в привычные нам ядерные частицы...... ба..
рионы II :мезоны **). Но избытон бариопноrо числа при
этом останется и оп даст небольшой избыток протонов
и нейтронов над антипротонами и антинейтронами. Веко...
*) Нак показали 'дальнейшие исследования, процессы элеRТ"
рослабоrо взаимодействия в HeROTOp1>IX вариантах теории MorYT
уменьшать обраЗ0вашийся ИЗUЫТОR. 110 мы здесь, конечно, об...
суждаем только важнейшие идеи и не в состоянии касаться мно'"
I'их деталей.
**) Обратите внимание, читатель, как относительны праRТИ"
чески все людские понятия. Мы только что сказали  «MHoro
времени спустя». А ведь речь идет о времени, протекшем
с 1034 с до 106 с. Это ведь ничтожное :м:rновение! Но, действи
тельно, по отношеНИIО к 1034 С :момент 10б с  это невообрази..
1\IО далекое будущее.
04

ре после образования ядерных частиц произойдет аННИ 4
rиляция пар протонов с антипротонами и нейтронов с
антинейтронами, о которой мы у}ке rоворили вразде..
ле 14. Из ТЯ/нелых частиц остается только этот неболь..
шой избытон протонов И нейтронов, для которых не най"
дутся парные Иl\1 античастицы.
В нашу задачу не входит подроБНD прослеживать
дальнейшую судьбу частиц возникшеrо вещества. Об этом:
читатель ь.Iол\ет узнать, например, из уже упомянутой
1\ниrи автора «Эволюция ВселенноЙ». Здесь мы только
:коротно снажем следующее.rспустя пять минут после на..
чала раСlIIирепия температура во Вселенной упадет ниже
миллиарда rрадусов. Теперь уже возможно соединение
протона и нейтрона в ядро дейтерия. Раньше, при более
u  '
ВЫСОI\ОИ температуре, возникающие сложные ядра момен"
тально разбивались налетающими энерrичныии частица..
ми. При температуре ни}ке миллиарда rрадусов возник...
шие ядра дойтерия вступают в дальнейшую цепочну ядер"'"
ных превращений, пока не вознинают ядра атома rелия.
Ila этом ядерные реакции в ранней Вселенной пренра'"
щаются. Расчеты поназывают, что в первичном веществе
должно образоваться около 250/0 rелия по массе, а ос...
тальное вещество (75 О/о)  это ядра атомов водорода (про...
тоны). Наблюдения действительно поназывают, что пер...
вые звезды во Вселенной образовались из вещества, хи...
мический состав KOToporo соответствует предсназаниям
теории rорячей Вселенной. Ядра атомов более ТЯiне..
лых элементов вознинли во Вселенной rораздо позже 
уже в эпоху, близкую к наПlей, в ядерных про...
цессах в звездах,
25. ЕЩЕ 3Ar АДКИ
1.1 то же еще эаrадочноrо видится носмоло..
raM в наблюдаемых сеrОДIIЯ свойствах Вселенной? Нако"
вы еще ее фупдамента;пьные свойств..а" которые предстоит
объяснить?
Пожалуji, (первое из этих фундаментальных свойств.......
однородность Вселенной в большихмаёiriта ба х. Мьi> уже
неоднонратно rоворили о том, что в масштабах больше
сотен меrапарсенов скопления rалактин распределены в
пространстве однородно. Правда, для больших расстоя....
пий выводы делать трудно изза сложности наблюдения
Далеких слабых объеI{ТОВ. Кроме Toro, подобные наБЛЮ-4
дения еще IIичеrо не rоворят ВПрЯJJ"IО о распределении
105

;в пространстве «СКРЫТОЙ массы»  невидимых форм lVIa...
терии. Тем не менее вывод о крупномасштабной однород...
ности Вселенной и для видимой, и (что особенно ваЖНО)J
невидимой материи вполне надежен. Как он получен?
Инструментом: исследованuя здесь послужило реликто
вое излучение.
В разделе 13 уже rоворилос:ъ, что сеrодня Вселенная
совсем прозрачна для этоrо излучения, но в прошлом это
было не так. Коrда температура во Вселенной превы'"
шала 4000 К, все вещество представляло собой ионизо...
ванную плаЗIУ (отдельных небесных тел тоrда еще не
было). Эта плаз:м:а была непрозрачна для реЛИRтовоrо из..
лучения. Превращение плазмы в нейтральное вещество
произошло во Вселенной спустя 300 тысяч лет после на..
чала расширения, и начиная с этой эпохи подавляющее
большинство реликтовых фотонов движется по прямой,
практически уже не взаимодействуя с нейтральными ато....
:мами. Поэтому, коrда мы наБЛlодаем реликтовое излуче
lIие, мы заrлядываем в прошлое и:м:енно в ту далекую
эпоху, называемую эпохой реRомбинации (тан называется
процесс захвата электронов атомными ядрами  образо
вание нейтральноrо вещества). За время, прошедшее с
эцохи реКОl\lбинации, излучение успевает пройти расстоп...
ние, почти равное расстоянию до rОРИЗОIIта ( Cl'rl. раз..
дел 13), т. е. около 13 миллиардов световых лет. ТаКИl'r1
.DбраЗОМ: J с помощью реликтовоrо излучения мы «про
сl't'Iатриваеl't'I» практически всю, в приципе, доступную
наблюдениям область Вселенной.
LleI же нам может помочь реликтовое излучение в
решении вопроса о том, насколько однородна Вселенная?
Дело в том, ЧТО это излучение несет ИНфОРl\IаЦИIО о своЙ..
ствах Вселенной в точках, разнесенных очень далеко в
пространстве. И эти свойства оказываются до удивления
одинаковыми. Так, интенсивность приходящеrо н нам:
реликтовоrо излучения с диаметрально противоположных
 u u
точек на неое одинакова с точностью по краинеи мере до
сотой доли пр.оцента. RаiIДЫЙ луч излучения идет к нам
практически от rоризонта. Значит, точки, из которых вы...
шло наблюдаемое нами реликтовое излучение, разнесены
сеrодня на 26 миллиардов световых лет (см:. рис. 28),
....
и излучение свидетельстаует о том, что своиства в этих
областях практически совсем одинаковы.
Пусть это так, скажет читатель, но что же удиви..
тельноrо в том, что в очень больших масштабах Вселен..
ная однородна?
106

А удивительно это вот почеIУ. Световой сиrнал, иду"
щий из ТОЧRи а (рис. 28) и вышодший прантически в мо",
мент начала расширения Вселенной, еще не успел дойти
ДО точки б. Быстрее света ничеrо не может распростра
няться. Значит, точна б не может иметь нинаких сведе...
ний об условиях в точне а. Кан же в таном случае полу...
чилось, что условия и в а, и в б совершенно одинаковы?
Коrда из точни а выходил
сиrнал, она находилась дa
лена за пределами rОрИЗ0Н
та видимости, очерченноrо в
этот :момент BOI\pyr точни б.
Нет НИRаких причин для
выравнивания ил,И «соrласо
вания» условий в этих точ,
ках, раз они не успели с Ha
чала расширения Вселенной
даже обм:еняться сиrналами.
И тем не :м:енее условия в
них одинаRОВЫ. Почему?
Это и есть заrадна  про...
блема, :которую должна pe
шить теория. Проблема по
лучила навание «проблема
rоризонта» 
Прежде чем сФормулиро
вать второе фундаменталь
ное свойство, обратимся R соотноmению (7.1), I\.QTopoe
мы перепишеl\f, используя (7.2), в виде
А ==  лGR (РIlРИТ  Po'
Рис. 28. «Проблема rоризонта»
в космолоrии. Луч из точки а
не успел дойти до точки б.
l\1ежду тем температуры в
этих точках, кан показывают
наблюдения, одинаковы
(25.1)
Разделим левую и правую части на Ро и перепишем: (25.1Ж
еще раз, используя соотношение Ро === м( 4/зJtRg)1:
Р НРИТ  РО  АЛ()
РО 2MG.
(25.2)
Выражение (25.2)' описывает относительное отличие
плотности Ро от критической плотности РИРИТ' Разумеется,
мы можем написать выражение (25.2) не тольно для се...
rодняшнеrо мо:м:ента t o (что отра/I\ено в выражении (25.2):
инденсом «О» у плотности Ро и: радиуса шара Ro), но и
для любоrо момента вреl\tIени t. Для этоrо просто уберем
107

индекс «О» в (25.2). Теперь это выражение описывает
относительное отличие плотности от критичесноrо зна...
чения для любоrо момента времени. Мы видим:, что это
отличие пропорционально радиусу шара R:
(Р1<РИТ  р)/р  R.
(25.3)
в прошлом, ноrда радиус R был меньше, меньше было
и относительное отличие плотности от критичесной. До...
бавим еще, что выражение (7.1) написано для случая
отсутствия давления вещества, т. е. Р == о. Мы знаеlVI
(см. раздел 14), что в начале расширения давлени:еI
пренебреrать нельзя, оно равно Р == 1/ зрс 2. Если посмо",
треть" как в этом случае меняется относительное отличие
плотности от нритичесной, то оназывается, что
(рнрит  р)/р  R 2 ,
(25.4)
Т. е. в ЭТОl\I случае отличие меняется еще быстрее, чеi\1
в отсутствие давления.
Нан уже было СI{азано, средняя плотность вещества в
сеrодняшней Вселенной известна плохо. Она, скорее все...
ro, близка н Rритичесному значению, но возможно, что
отличается в неСIОЛЬКО раз.
Давайте теперь, исходя из этих, хоть и не очень точ",
ных данных, ПрОСЛJДИl\I, каним было отличие плотности
от нритичесной в ПРJШЛО:М. ДЛЯ этоrо воспользуемся со...
отношениями (25.3) и (25.4).
'в сравнительно БЛП3I{УЮ к на:м эпоху можно считать,
что Р == о и справедливо соотношеПI:е (25.3). Ноrда R
было в тысячу раз меньше, чем: ссrоrня, то и относитеЛЬ1-
ное ОТЛIlчие плотности от критичесно.а было в тысячу раз
меньше сеrодняшнеrо. Поэтому дал\е если сеrодняшнее
отличие порядна десяти, то тоrда это была одна сотая.
Для еще более ранних моментов надо воспользоваться
соотношением (25.4). Рассчитае1\I, t",QiOB() было относи..,
тельное отличие в эпоху ВеЛИЕпт'о об1:)еДIIнения при
t  1034 с, ноrда все расстояния но ] .2,еJiенной были при...
мерно в 1027 раз меньше сеrодняшних. Нетрудно подсчи...
тать, что относительное отличие тоrда составляло фан...
тастичесни малую величину  оноло 1050.
Таким образом, в самом начале расширения плотность
вещества по Вселенной была удивительно близка к кри",
тической. Но почему? Почему силу взрыва, которая опре....
делила скорость расширения (а значит, и постоянную
108

Хаббла в тот момент), и поэто:м:у определяла величину
l\ритичес}\ой плотности (см. выражение (7.2)), прпрода
подобрала та}\ой, что }\ритическая плотность с велпчай
шей точностью совпала тоrда с реальной плотностью Be
щества?
Это и составляет вторую заrадку Вселенной, назы
ваемую иноrда «проблема критической плотности».
Следующая проблема: почему, несмотря на удиви
теЛЬНУI{) однородность Вселенной в очень больших Mac
штабах, в меньших масштабах все же были от}\лонения от
однородности  небольшие первичные флунтуации? Имен...
но эти небольшие сrущения потом под действием сил
тяrотения уплотнялись и образовали yr}\e в эпоху, близ
НУЮ }\ нашей rала}\ти}\е, их скопления. Наконец, cy
ществует еще одна проблеJYlа. Она связана с предсказы
ваемыми теорией j\IОНОПОЛЯМИ (см. раздел 23). Эти своеоб
разные частицы возни}\али во Вселенной в эпоху Вели-
}\oro объединения. Их должно было тоrда народиться
необычайно MHoro. Правда, в ходе последующей эволюции
часть МОНОПОJlеЙ и их античастиц  аНТИl\Iонополей про-
анниrилировали друr с друrом. Но ка}\ по}\азали расчеты
советс}\их Физи}\ов Я. Б. Зельдовича и J\tl. Ю. Хлопова,
:монополей должно остаться в сеrодняшней Вселенно:Й
очень j\1Horo  примерно столь}\о же, скольно обычных
частиц  протонов. Но ведь монополи в 1016 раз масси,В'"
нее lIpOTOHOB. Это значит, что ПЛОТНОСТ/Ъ вещества в виде
монополей в сеrодняшней Вселенной была бы в 1016 (!)
раз больше, чем плотность обычноrо видимоrо вещества.
Этоrо, нонечно, не может быть. Ведь мы видели, что
плотность «с}\рытой :массы» во ВселенноЙ не более, чем
в 30 раз превосходит плотность обычной в'идимой мате...
рип. Значит, монополеЙ пра}\тически нет в сеrодняшней
Вселенной. Куда они делись?
Эта заrад}\а получила название «заrадна MOHO
полей» .
Не}\оторые теории взаимодействий при сверхбольших
энерrиях предсказывают, нак мы видели, возможность су...
ществования, ПОl\IИl\IО монополей, еще и друrих «ди}\о...
винок»  струн и стено}\. Но мы также почемуто не ви...
дим эти образования в сеrодняшней Вселенной.
Астрофизики понимали, что перечисленные заrад}\и
связаны с Te1\1, что ПрОИЗОIIIЛО в самом начале рас...
шпрения Вселенной, т. е. они в зашифрованном виде
хранят тайну начала. Оставалось подобрать нлюч :к
ЭТОl\IУ шифру.'
109

26. ПЕРВОТОЛЧОR
Вот мы и ПОДОШЛИ R заrадне заrаДОR  R на..
чалу COBpeJ\feHHoro этапа существования Вселенной. Что
,"не может быть ПРИЧIIНОЙ начала расширения? rvlы по..
нимаем, что orpo:MHoe давление в начале не может быть
причиной больших скоростей разлета вещества, ибо в
однородной Вселенной нет перепада давления, RОТОрЫП
только И создает в этом случае силу, веДУЩУIО R разлету.
IIодробно об ЭТОI мы rоворили в разделе 12. Более Toro,
'там мы выяснили, что большое давление создает допол-
нительные СIIЛЫ тяrотения, те:м: са:мым дополнительно
замедляет расширение Вселенной. А на:м неоБХОДИl\'10 по..
IIЯТЬ происхождение начальноrо уснорения частиц 11 а..
терии.
у вни:мательноrо читателя, возможно, уже появилась
доrадка о то:м, нак можно получить начальное ускорение.
Вспомним ТрИ фанта, приведенные выше в этой Книrе.
1. ПреДПОЛОJн:ение ЭЙнштейна о T01f, ЧТО В :мире, воз..
:можно, есть rипотетические силы rравитаЦIIонноrо оттал..
нивания (С:М. раздел 3), описываемые Rосмолоrической
постоянной Л.
2. J\10дель Вселенной де Ситтера показывает, что в
почти пустой Вселенной НОС1\fолоrичеСRая постоянная Л
вызывает ускоренный разлет любых частиц вещества
(Cl\I. раздел 4).
3. В разделе 17 было сказано, что ва:куу:м: 1\10жет быть
рааным и в некоторых случаях может обладать положи..
тельной плотностью энерrии ев, плотностью массы
Рв == е в /с 2 и отрицатеДЬНЫlVl давлением (т. е. наТЯiRением)
Р В == eB == PBc2. Не MorYT ли свойства вакуу:ма, пере...
численные в этом пункте, привести в начале расширен ин
ВселенноЙ к появлению большой Rосмолоrичесн:ой посто--
линой? 11 если да, то не может ли эта постоянная ока--
заться столь большоii, что своим rравитаЦИОНIIЫМ дейст",
виеlVl она затмит тяrотение обычной физической материи
JI, соrласно ПУНRТУ 2, приведет к rравитационному оттал..
киванию, т. е. к тому «пеРВОТОЛЧRУ», с ROToporo началось
расширение Вселенной? Оказывается  да, перечислен--
ные вопросы имеют ПОЛОJн:ительные ответы.
ПОСl\fОТрИМ преiНде Bcero, как плотность энерrии ва..
куума и еrо.отрицателыlеe давление ведут н появлению
rравитационноrо оттаЛRивапия.
Этот факт леrко понять, если обратиться к формуле
(12.51. Она ПОI{азывает а 1.1ТО rраВlIтаЦlIОlIное ускорение
110

u
зависит не только от плотностти материи Р, создающеи
ускорение, но и от ее давления Р:
G [4/ з 'ЛR З (р + зр/с 2 )]
(l == ......
R 2
4
== ....... 3" nG (р + 3Р jc 2 ) R.
(26.1 )
в случае вакуума Рв === PB (пункт 2). Значит, сумма
в I\руrлых скобках последнеrо равенства отрицательна,
Т. е. в создании rравптационноrо ускорения определяю..
lциii ВI\лад вносит отрпцательное давление, а не плот..
ность. Поэтом:у. форм:ула (26.1) МОiиет быть переписана
теперь в виде
8л:Gрв R
а== 3 ·
(26.2)
Эта фОРIула поназывает, что ВОЗНIIRЛО rраВИfационн:ое
оттаЛI{иванпе (ПОЛОiRIIтельное ускорение), пропорцио..
нальное радиусу шара, т. е. пропорциональное расстоя--
пию R меiI\ДУ частицами во ВселеННОII.
В разделе 17 !\fЫ Yi-Re rоворили, что плотность вануум:а
(а значит и ero давление) не зависит от движения наБЛIО--
дателя. Для люGоrо наБЛlодателя, с RаRОЙ бы СRОрОСТЬЮ
оп ни дви:rался, она одна и та же, не меняется. Значит,
плотность BaHYYI\/Ia рв постоянна, не lVIеняется с расти..
рением Вселенной.
Если обозначить 8лGрв/с 2 == Л, то мы П}JIIХОДИМ В точ--
ности R фОР1\1уле (4.1) для 1vIоделп де Ситтера:
Ас 2
а == 3 R. (26.3)
Следствие этой фОрl\1УЛЫ мы уже разобрали в разделе 4.
Если вакуумные силы rлавенствуют во Вселенной, то все
частицы будут стремительно удаляться друr от друrа и
расстояния между ними будут нарастать по экспонен"
циальному закону
R == Ro ехр ( 1/ А/3 . ct).
'(26.41
"Условие Toro, что силы rравитационноrо оттаЛRивания пре--
валируют над rравитационным притяжением, есть Рв  р,
rде р  плотность обычной физической материи. Итак,
если
Рв  Р,
(26.5J
то Вселенная начипает стремительно раСIIlИРЯТЬI! ПОД
111

действием антиrравитационвых сил вакуум:а. Вот это на...,
чальное ускорение и может быть «первотолчком», при..
ведшим к появлеНИIО расширяющейся Вселенной.
Задача теперь свелась к тому, чтобы установить, нак,
при каких условиях и коrда возможно появление боль
тих плотностей вакуума, удовлетворяющих неравенству
( 26.5) .
Предположение о том, что оrромные отрицательные I
давления, а значит и rравитационное отталкивание, может
возникать при очень больших плотностях вещества, было
сделано Э. Б. rлинеро:м: в конце 60x rодов. Это были
первые доrадкИ. А в 1972 r. советские физики д. А. Rир
жниц и А. д. Линде ПОRазали, что подобное состояние мо--
жет, естественно, возникать во Вселенной с понижение:м
температуры от очень больших значений, превышающих
темпера туру ВеЛИRоrо о: ъединения.
Эти первые идеи БЫ':IlI неСКОЛЬRО позже развиты при
менительно н космолоrии в работах ленинrрадцев
Э. Б. rлин.ера, Л. э. rуревича, и. r. Дымниковой, а за...
тем, с использованием новеЙших достижениЙ физики вы...
соких энерrий, развиты американцем А. rYCOM, советски
ми физиками А. д. Линде, А. А. Старобинсним и мноrи--
l\IИ друrими. .
Как же может ВОЗНИI\а ть столь удивительное состоя",
ние с оrро:м:ным отрицательным: давлением?
Выше уже  rоворилось, что это состояние MOiHeT B03
никнуть как одна из раЗНОВП;J;ностей вакуума, и мы нач--
нем с разбора этоrо случая. Но в дальнейшем: мы увидим,
что состояния с р == P/c2 MorYT возникать и при mиро
ком классе условий, ноторые не сводятся просто н Ba
кууму.
В разделе 17 отмечалось, что ваиуум.....;;. это то, что
получается, коrда уирают все частицы II все ФизичеСI{ие
поля. При этом, однако, остается квантовое «кипение»
пустоты, ноторое устранить уже никак нельзя. Это и есть
вакуум. Вакуум, rоворя на неСНОЛЬRО более специальном
языке, есть наинизшее энерrетическое состояние физи:че
ских полей, т. е. состояние с :М:ИНИМУМОI энерrии, ниже
KOToporo по энерrии уже опуститься принципиально неЛI.>
зя. Это состояние (вакуум) может быть разли.чным в за
висимости от способа ero возникновения.
Ilac будут интересовать состояния, возникающие при
охлаждении Вселенной от очень высоких температур.
Обратимся к хиrrсовским полям: при те:м:пературах, соот",
веТСТВУIОЩИХ энерrии: ВеJIикоrо объединения. Рассмотрим,
112

aK меняется потенциальная энерrия хиrrсовских полей
с понижением температуры (см. рис. 29). При очень BЫ
СОRОЙ температуре Т  Т во rрафИR зависимости потен
циальной энерrии Е пQт от величины поля ер Иlvlеет мини:
1\1УМ при ер == о (кривая а). Это наинизшее возмолное
энерrетичесное состояние. С понилением: температуры
форма зависимости потенциальной энерrии от величины
поля ер меняется, как видно из рисунка (Rривые б), и при
температуре Т  Т во  1014 rэв rрафик приобретает вид,
Е пот
о
2
ер
Рис. 29. Зависимость потенциальной энерrии хиrrСОВСКIIХ полей
от температуры: а  при Т:;» Т ВО ; б  при Т  Тво; . в  при
т  Т ВО
изоб,раженный RРИВОЙ в на рис. 29. Он аналоrичен rpa
фику на рис. 20. На кривой в уже имеется минимум при
значении ер, отличном от нуля. Как и на рис. 20, шарик,
находящиЙся на дне ЛОJI\бины кал{доrо rрафИRа, отвечает
МIIIIИМУМУ потенциальной энерrии, т. е. изображает co
стояние вакуума. Обратите внимание на следующие oco
бонности rрафИRОВ. Точка 1  м:инимум кривой а (т. е.
RРИВОЙ для больших Т), совпадающий с «центральной
rОрRОЙ» кривой в (справедливой ДJIЯ малых температур) J
лежит rораздо выше точни 2  минимума на RрИВОЙ 8.
"(l то это означает? Это означает следующее: минимуму 1
:кривой а отвечает очень больтая потенциальная энерrия,
а МИНИl\IУМУ кривой в  практически нулевая (или, во
всяком случае, очень малая) потенциальная энерrия.
ПОСl\:lОТрИМ теперь, что будет происходить с состояни
ем поля ер при понилении температуры в расширяющей
ея Вселенной. Коrда температура Т была порядка темпе
ратуры Великоrо объединения, шарик, изображающий
состояние поля ер, находится в точке 1. Затем с уменьше
нием Т потенциальная кривая при обретает вид в. ШаРИI\
8 и дновинов 113

в положении 1 находится теперь на вершине rорки n
неустойчивом состоянии. Правда, в rрафике здесь може'r
быть неrлубокая выемка (см. рис. 30, а). Шарик в этой
выемке все равно слабо устойчив. Положение 1 CO()"T
ветствовало :минимуму потенци
альной энерrии при высокой TeM
пературе, т. е. вакууму для TaKO
ro состояния. Но заметьте, что
этому вакууму соответствует Ol"
ромная потенциальная энерrия
поля ер  шарик поднят над rори
зонтальноЙ осью. А значит, этому
соответствует оrромная плотность
9 вакуума Рв. В простейших вари
антах теории Рв  1074 r/см З . Столь
большие числа лежат далеRО за
пределами возможностей нашеrо
воображения. И это  плотность
вакуума! Чуть ниже мы скажем,
как проявляется эта rиrантская
6 плотность. Подобное состояние
иноrда называют ложны:м: в а..
куумом.
. Что будет происходить в даЛЬ$"
ер нейшем? Шарик, изображающий
состояние поля ер в выемке на
вершине rорки, не может долrо
оставаться в покое. Под действи...
ем слуайных возмущений он бу..
дет выбит из выемки и начнет
скатываться вниз по склону. Сна...
чала на полоrой части СКЛQна
шарик катится медленно, затем
на крутой части склона он быстро
скатывается к точке 2. Положе...
ние шарика в точке 2 соответ"
ствует состоянию HOBoro вакуу:м:а
при низкой по сравнению с
1014 rэв температуре. Этому по...
ложению соответствует нулевая
потенциальная энерrия (или очень
маленькая), а значит и нулевая плотность вакуума:
Рв == о. Об этом вакууме физики rоворят как об «истин..
ном» вакууме. Пока шарик, изображающий состояние
поля ер, находится в вершине rорки в положении 1
f пот
2
Е пот
2__
Е пот
2 9'
Рис. 30. Эволюция no
ля ер в расширяющейся
Вселенной изображается
скатыванием шарика с
, rорки
114
а
д

вануум имеет оrромную плотность и существует rрави--
тационное отталнивание. Потом, коrда он медленно I{a...
тится по верхней полоrой части склона, нельзя сназать
cTporo, что поле ер находится в BaHYYMHo:rvI состоянии,
ибо вануум (наинизшее состояние энерrии) вознинает,
Rоrда Пlарии успоноится внизу ложбины в точке 2.
Но движению по верхней части склона соответствует
все же большая потенциальная энерrия Е пQт поля ер,
таи нан шарик поднят высоно над осью абсцисс, и эта
энерrия медленно меняется (шарин медленно натится).
Поэтому в это время мы прантичеСI{И тож имеем: состоя
ние с р == P/c2, нак у вакуума. Тание состояния назы..
вают ваНУУМlIоподобными. При вануумноподобном состоя..
нии с большой плотностью все время имеется rравита..
ционное отталнивание, и Вселенная стре:м:ительно рас..
ПIиряется по энспоненциальному эакону: Вселенная, иак
rоворят, раздувается, или, на языне специалистов, осу..
ществляется состояние инфляции.
Подобный механизм ВОЗНИRновения инфляции был
разработан советским физиком А. д. Линде и американ...
сними фи зинами А. Альбрехтом и п. Стейнхардтом.
ВаRуумноподобные состояния MorYT вознинать не
тольно при изменении вакуума, о чем было рассказано
выше. Советский физик А. А. Старобинский показал, что
подобные состояния MorYT возникать как следствие кван...
товых эффектов в rравитационноМ: поле, если оно очень
сильно и быстро меняется, кан это было в самом начале
расширения Вселенной. А. д. Линде подчеркивает, что
вануумноподобные состояния MorYT возникать и по дру..
rим причинам, соrласно очень Iноrим совре'МеННЬПI тео'"
риям, описывающим физику сверхплотной материи при
orpoMHыx плотностях. Эти плотности должны быть близ...
ки К тем плотностям, при ROTOpblX частицы в расширяю..
щейся Вселенной имели энерrию, равную плаННОВСRОЙ
энерrии Е п  1019 rэв  1032 К (см. Формулу (22.1»),
т. е. энерrию суперобъединения. Таную энерrию части...
цы имели во Вселенной при времени t  3 · 106.6. С
(см. формулу (14.5)). Этот момент времени носит назва...
ние планновскоrо момента. Он получается от деления
планновсной ДЛИНЫ (см. формулу (22.2»). rп на скорость
света с:
t п == rп/ с  3 . 10"" с.
:< 26.6)
По форrvIуле (12.8) :можно вычислить, что в этот MOl\tIeHT
В*
115

п.тrОТНОСТ:Ь },fатерии должна равняться рп  109 r/см З .,
Такую плотность наэывают плаНRОВСRОЙ плотностью.
Итак, весьма вероятно, что при условиях, БЛИЗRИХ R
плаНRОВСRОЙ плотности, существовало ваRуумноподобное
состояние с Р === P/c2, И оно явилось «пеРВОТОЛЧRОМ»,
приведшим, нан rоворят, R инфляционному раздуванию
Вселенной, чтобы подчерRНУТЬ стремительность этоrо
процесса.
Вот в этом, повидимому, И З8.Rлючается причина
Большоrо взрыва.
27. РАЗДУВАВ,НЕ
Как «пеРВОТОЛЧОR» связан с фундамевталь
ными свойствами Вселенной? Для этоrо надо рассмотреть
процесс раздувания и понять, 1{ чему он ведет. Раздува
ние происходит по ЭRспоненциальному закону
R == Ro ехр ( 1" Л/3 . ct).
(27.1 J
Подставим в это выражение вместо Л ero числовое
значение, полученное с помощью формулы на с. 111, rде
А выражается через плотность ваRуумноподобноrо co
стояния РВ' Мы не знаем точно, при RаRОЙ плотности
ВОЗНИRало ваRуумноподобное состояние. Как уже отмеча....
лось в разных теориях, эта плотность может быть раз...
лична. Но мы не будем утомлять читателя перебором paJ
ных возможностей, а рассмотрим ТОЛЬRО один вариант,
который представляется автору наиболее вероятным. Оп
отражает основные черты, присущие всем вариантам
tеории.
Соrласно этому варианту ваI\уумноподобное состоя
ние имеется тоrда, Rоrда время равно плаНRОВСRОМУ
t п  3 · 1044 С И плотность таRже плаНRОВСКЯ Рп ==
::::: 1094 r/см З . Считая, что это и есть плотность вакуум--
ноподобноrо состояния *), найдем значение Л и подста..
вим ero в (27.1}. Тоrда эта формула перепишется в виде
R==R o exp(3 .10 4З t). (27.2
Здесь время t выражается в секундах. Что будет проис....
ходить в таRОЙ невероятно быстро раздувающейся Все....
*) Заметьте, что в этом варианте теории плотность вакуум..
ноподобноrо состояния существенно больше, чем приведенная па
с. 114. Такова неопределенность теории. Но подчеркнем, что эта
неопределенность не влияет на основные идеи, здесь описы
ваемые.
116

JIенной? Прежде Bcero еще раз подчеркнем, что плот..
ность Рв вануумноподобноrо состояния прантичесни не
IvIеняется со временем или, во всяком случае, меняется
медленно. Совсем иначе обстоит дело с плотностью обыч...
ной физичесной материи р. По мере раздувания Вселен...
ной эта плотность падает. Так нак материя имеет вначале
большую температуру, то ее плотность убывает; как и
плотность релинтовоrо излучения (см. форм:улу (13.6),
т. е. пропорционально R4,:
р "" R4, "" exp(12 .1043 t). (27.3)
Значит, уменьшение плотности обычной физической ма...
терии происходит чрезвычайно быстро. Так, по прошест...
вии Bcero пяти планновсних времен t == 5t п == 1,5 . 104,З с
плотность упадет в 108 раз. Если в начале процесса при
t  t п плотность обычной физической материи и плот...
ность вакуумнопод06ноrо состояния были сравнимы, то
очень быстро окажется Рв  Р, т. е. условие (26.5) вы...
полнено, и раздувание действительно идет соrласно MO
дели де Ситтера. Коrда материя остынет и частицы,
имеющие массу, не будут уже двиrаться со скоростями,
близними К скорости света, формула для Р несколько
изменится:
Р "" R3 "" ехр (9 · 1043 t)'.
(27.4)
110 этот закон падения плотности по своей стремитель...
lIОСТИ мало отличается от (27.3). Долrо ли будет продол...
жаться этот удивительный процесс? С уверенностью на
этот вопрос по на ответить нельзя. Ясно только одно 
вануумоподобное состояние неустойчиво. По прошест...
пии HeKoToporo времени оно распадется, превращаясь в
обычную rорячую материю. Коrда же это произойдет? Как
уже сказано, точноrо ответа пока нет. Можно все же ду...
мать, что пройдет примерно ;).t  105 7 1010 планковских
вре:мен (эта цифра может сильно :меняться в разных ва...
риантах теории). Возьмем для определенности t == 109 t п .
110 нашим человечеСI\ИМ меркам это ничтожно мало: ;).t 
 109 .3 · 104,4  3 . 1035 с. Однако за это время все рас...
стояния во Вселенной вырастут соrласно выражению
(27.2), в е 109  10 4 . 108 раз, а плотность обычной материи
упадет в ходе раздувания примерно в 10 1О9 раз*). Or...
*) Изза Toro, что плотность вакуумноподобноrо состояния в
ходе раздувания может медленно меняться, числа, приводимые
здесь и ниже, только приблизительны и даIОТСЯ лишь в качестве
117

pOl\IHOCTL этих цифр Hen03l\10iI\HO представить, п все 8'1'6
произойдет за НИЧТОil\ные первые frновения. К концу ЭТО40
ro периода ВО Вселенной станет необычайно холодно,
ведь по формуле ( 13.4) темцература падает пропорцио
нально увеличению размеров. Так как в начале процесса
темпе}?атура была Т n 10 32 К, то в конце она онаж.ется
т == 1032Kj104'108  104.108K. (27.5)
Это несравненно Iеньше сеrОДНЯIIIней температуры ре....
Jlиктовоrо излучения Т  3 !{. А плотность обычной фи..
зической материи в этот момент составляла соrласно
оценке по формуле (27.4)
р == 1.094rjcM3j10109  10109rjcM3. (27.6)
:Комментарии к этим цифрам излишни. Можно только
отметить еще, что в это время одна элементарная части...
ца обычной физичесной материи.. будет находиться от
друrой на расстоянии около 1040108 световых лет. На..
помним, что радиус видимой .части сеrодняшней ВселеН....
вой составляет «BcerO» оноло 1010 световых лет. Ясно, что
:мы вправе считать в ту эпоху Вселенную пустой для
обычной физичесной материи, подчиняющейся только
действию rравитационных сил отталнивания ваКУУМНОП0 4
добноrо состояния.
Что же произойдет в нонце этоrо периода? ВаКууМ....
lIоподобное состояние из....за неустойчивости распадется,
исчезнет, порождая обычную rорячую материю с ПОJIО"
жительным давлением. Энерrия вануумиоподобноrо со....
етояния перейдет в энерrию обычной материи. После
8Toro rравитационное отталнивание, свойственное вануум..
Dоподобному состоянию, исчезнет и с:м:енится обычной
rравитацией, замедляющей расширение. Вселенная после
неболыпой переходной стадии начнет развиваться по за..
ионам rорячей модели, уже нами рассмотренными.
До наних температур разоrревается Вселенная? Точ....
Horo ответа опять нет. Вероятно, это MorYT быть темпе...
ратуры, например, порядка температуры Велиноrо объ...
единения т во == 1014 rэв  1027 К, а может быть, и не...
сколыо меньше. Во веяном случае эти температуры очень
)JЫСО:КИ. Изза распада вакуум:ноподобноrо состояния Все...
иллюстраций (ПОRазатели степени MorYT быть в неСRОЛЬКО раз
меньше). Но все это не меняет качественных заключений об O
ромности рассматриваемых величии.
118

ленная очень быстро разоrреваетсл и становится снова
rорячей, заполненной всевозможными частицами и ан...
тичастицами, соответствующими этой высокой темпера...
туре. Но это уже новые частицы, возникшие при распаде
вакуумноподобноrо состояния. Именно в среде этих воз...
никших новых частиц и происходят затем реакции, ве...
дущие к небольшому избытку барионов над антибарио...
нами и вся последующая эволюция. Про «старые» части
цы, существовавшие в начале инфляции, мы теперь
можем просто забыть, ибо они разбросаны раздуванием
на невообразимые расстояния друr от друrа инеобычай...
но редки во Вселенной.
ДаваЙте здесь на некоторое время остановимся и pac
смотрим следующий парадокс. Рассмотрим в начале раз...
дувания две частицы, находящиеся друr от друrа на
планковском расстоянии 10З:t СМ. (Мы в дальнейшем
увидим, что меньшие расстояния вообще брать нельзя,
там не существует непрерывноrо пространства.)' Далее,
мы утверждали, что к концу фазы раздувания, т. е. через
ПРОА'lежуток времени Д,t  3 · 1035 С, все расстояния уве...
личились в 104-108 раз. Значит, рассматриваемое aMЦ
расстояние между частицами стало 103Зсм.104'108::::1
==10 4 . 108 см *). Поделив это расстояние на промежуток вре...
мени At, получим «среднюю скорость» разлета рассматри--
ваемых частиц. Она оказывается равной v  10 4 . 108 CM/C,
т. е. в rиrантское число раз превосходит скорость света!
Как это возможно?
Парадокс разреmается следующим образом.
Каждый представляет себе наrлядНО, J J8 aK измерить
скорость тела, проносящеrося мимо наблюдателя. В прин..
ципе для этоrо надо взять жесткий масm-таб и отметить
время, коrда тело проходит начало масштабноrо отрез..
ка, а затем ---=--- коrда ero конец. Поделив длину масштаба
на промежуток времени между этими двумя событиями,
получаем скорость.
Существенно иначе обстоит дело, если необходимо из..
мерить скорость тела по отношению 1t наблюдателю, ко--
rда тело движется на большом расстоянии от Hero. Дли
этоrо надо сначала иметь возможность хотя бы мыслен..
по связать с наблюдателем: систему отсчета в виде вооб...
*) Читатель, наверное, ул{е заметил, что rиrаНТСRие числа,
типа 104.108, при умножении или делении на «обычные» числа,
типа 1033, праRтически не меняются по ве'nичине!
119

ражаемоrо жеСТRоrо I\apRaca и продолл\ить ЭТОТ каркас
R месту, rде движется тело. Измеряя затем снорость тела
по отношению R этому карнасу в месте, rде оно движет--
ел, мы и получим СRОрОСТЬ тела по отношеНИIО к наб.ТJIО'"
дателю. Заметьте, что l\IЫ не случайно подчеркнули, что
'Воображаемый каркас должен быть везде жестким и:
жестко связан с наблюдателем. Ииаче, конечно, дефор--
мации Kapl{aCa вызовут относительные перемещения ero
частей, и скорость тела, измеренная по отношению к кар--
касу в том месте, rде тело двIiжется, не будет скоростью
по отношению R наблюдателю.
Читатель, наверное, скажет, что все это очевидно и
входит в определение понятия относительной скорости
для удаленных друr от друrа тел. Это, действительно,
очевидно, но спрашивается: всеrда ли возможно хотя бы
мысленное существование TaKoro жесткоrо каркаса? В пу--
етом пространстве без сил rравитации вообразить такой
иаркас  систему отсчета, действительно, всетда можно.
Иное дело в очень сильных rравитационных полях.
Здесь силы rравита.ции, действующие на достаточно про...
тяжнные жесткие системы, MorYT стать бесконечно боль--
шими. Именно этот случай и имеет место во Вселенной
с вакуумноподобным состоянием. Зде сь, есл и размер жест...
Koro каркаса больше, чем r max  c/Y8nGpB' то в нем воз",
викают бесконечные rравитационные ускорения, св я...
ванные с rравитационным отталкиванием ваRуумоподоб..
поrо состояния. Ясно поэтому, что никаких, даже хотя
бы только мыслимо осуществимых, жестких RapRacoB (}
размером больше r max в такой Вселенноif быть не может.
Силы rравитации заставят ero деформироваться. А раз
вет достаточно протяженных жестких KapRacoB, то не
может быть и определено понятие относительной CKOpO
сти для частиц, достаточно удаленных друr от друrа. Вот
в чем дело! Для тел на больших расстояниях перестае1
иметь смысл понятие скорости! А значит, и бессмыслен...
- во rоворить о том, больше их СRОрОСТЬ, чем снорость
света, или нет. Так разрешается парадокс. Для рядом
петящих частиц скорости никоrда не MorYT быть больше
световой, для очень удаленных частиц при наличии СИЛЬ 04
ной rравитации теряется смысл понятия скорости. По...
этому и возможно чудовищное раздувание Вселенной без
нарушения принципа максимальности СRОрОСТИ света.
Это стремительное раздувание имеет еще одно важное
следствие. Рассмотрим в раздувающейся Вселенной две
свободные частицы, находящиеся в некоторый момент
t20

па расстоянии друr от друrа, заметно меньшем, чем r max .
Они MorYT обмениваться световыми сиrналами. Но по
проmествии времени, заметно большем, чем 1: == rmax/C (по
часам на частицах), раздувание уже так стремительно
удаляет эти частицы друr от друrа, что расстояние между
ними становится больше r тах И обмен сиrналами стано...
вится невозможным, даже если сиrналы идут со скоростью
света. Размеры порядка r max называют расстоянием до
rоризонта причинности в раздувающейся Вселенной. Раз--
летающиеся частицы по прошествии времени порядка
't становятся причинно не связанными, т. е. события на
одной частице уже не MorYT влиять на события на дру'"
rой частице.
28. КЛIОЧ
Раздувание Вселенной и является тем клю",
чом, с помощью 1\0TOpOro разрешаются заrадки фундамен'"
тальных свойств Вселенной.
Начнем с первой из перечисленных ле 25 за...

rадки  с проблемы rоризонта. Напомним, в чем она за..
:ключается. Достаточно удаленные дрyr от друrа точки
(см. рис. 28) не успевают даже к сеrодняшнему дню
обменяться световыми сиrналами, и одна точка не может
«знать» об условиях в друrой. Поэтому непонятно, поче...
му температуры и друrие физические параметры в этих
точках одинаковы, о чем свидетельствуют наблюдения.
Разрешение этоrо недоумения состоит в следующем. Уда..
ленные сеrодня точки не успевают обменяться сиrнала.
ми только во Вселенной без эпохи экспоненциальноrо
раздувания, Т. е. без инфляции в самом начале. Раздува..
ние невероятно увеличивает расстояния между любыми
точками. Поэтому сеrодня далекие точки в начале инфля
ции находились'совсем рядом внутри объема с размера
ми 10ЗЗ см, т. е. практически совпадали и моrли MHOr()4
нратно обмениваться сиrналами. Так как они разлетались
практически из одной точки, ТО и нет ничеrо удивитеЛЪ 1
Horo, что условия в них одинаковы.
Вторая заrадНа....... почему плотность вещества во Все-
ленной сеrодня несильно отличается от критичесной,
а в прошлом была вообще чрезвычайно близка к КРИТИ 4
ческому значению, практически совпадая с ним:. По--
смотрим, как инфляция решает эту проблему.
Вспомним, что расстояния R в раздувающейся Все 4
ленной меняются по закону, описываемому формулой
{21

(27.1). Если взять ПРОИ3ВОДНУIО от этоrо выражения, TO
получим скорость
v == 1/ Л/3 . cRo ехр (1' А/3 . ct)'. (28.1 j
Используя теперь (27.1), перепишем (28.1) в следующем
виде:
v == 1/ Ы3 . cR.
(28.2 )
Очевидно, коэффициент пропорциональности между CKO
ростью v И расстоянием R есть постоянная Хаббла ДЛЯ
той эпохи:
н r:= l' А/3 · с.
(28.3)
Наконец, подставляя в (28.3) B?vleCTO А ero выражение
через плотность ваRуумноподобноrо состояния Рв, приве...
денное на с. 111, получаем
зн 2
Рв == 8лG ·
(28.4)
110 это выражение совпадает с выражением '(7.2) длн
критической плотности (только вместо Но  постоянной
Хаббла для сеrодняшней эпохи в (7.2)' в выражении
(28.4) стоит Н  постоянная Хаббла для эпохи раздуват
ния). Таким образом, плотность вакуумноподобноrо со...
стояния совпадает с критической плотностью.
Rоrда в конце стадии раздувания ваRуумноподобное
состояние распадается и превращается в обычную мате...
рию, плотность рв переходит в плотность материи Р, по...
этому и не удивительно, что эта плотность, равная рв,
равна Rритической для той эпохи:
Р == Рв == РНРИТ.
Ta решается вторая заrадка.
Третья заrадКа........ отнуда взялись небольшие первич",
вые флуктуации плотности в веществе, из которых потом
после их роста возникли rалактики и их системы.
Дело в том:, что распад вакуумноподобноrо состояния 
это квантовый процесс, подверженный случайным флук
Туациям, типичным для TaKoro рода процессов, таких lIa
пример, как радиоа1\ТИВНЫЙ распад. В одних местах по
случайным причинам распад вакуумноподобноrо состоя...
ния прошел чуть раньше, чем в друrих, и вызвал поэтому
чуть раньше переход к rорячей Вселенной. Это приведет,
как показывают расчеты (которые мы не будем здесь раз""
122

б.ирать)  1\ неБQJ1ЬUIИМ ФЛУl\туацuям. плотности возни!,..
шей rорячей материи. Вольтой ВRлад в решение этоп
проблемы внесли анrлийский физик С. Хоу:кинr и со..
ветские фИЗИI\И А. д. Линде, В. Н. Лукаш, В. Ф. Муха..
пов, А. А. Старобинский, r. В. Чибисов и ДР.II
Наконец, четвертая проблема  проблема МОНОIIолеl
(и друrих диковинок вапуума). Решение ее с помощью
инфляции очевидно. Монополи возникают во Вселенной
в самом начале инфляции, коrда температура падает нl!--
'не планковской величины примерно на несколько поряд--
ИОВ. В ходе раздувания эти монополи будут разбросаны
друr от друrа на rиr/антские расстояния. Они OKa3ЫBa
ются наСТОЛЬRО реДfiИМИ во Вселенной, что встретить их
прантичеСRИ невозможно.
Так по современным представлениям возникли в pe
зультате раздувания основные фундаментальные особен...
ности наблюдаемой нами сеrодня Вселенной.
29. ЧТО БЫЛО «(ДО TOrO»?
и так, мы познакомились со схемой лвле....
пий, вероятно, происходивших при оrромны плотностях
материи, оrромных энерrиях, и которые привели R «пер.,.
вотолчку», а затем после длинной цепочки событиj""'"'-"
R наблюдаемой сеrодня Вселенной. «А что было еще
раньше?»  наверняка спросит читатель.
Ответить на этот вопрос совсем не просто, и не только
потому, что специалисты еще очень мало знают о про--
цессах при планковских энерrиях. Трудности свяэаны о
тем, что в этих экстремальных условиях полностью M
НЯЮТСЯ фундаментальные черты таких всеобщих KaTer
рий существования материи, как пространство и время.
В дальнейшем рассказе в этом разделе будут ИСПОЛЬ 4
З0ваны мысли, изложенные немецким физином д. ЛиQ...
шером и автором в статье в журнале «Природа}) (1985.
М 4, с. 14).
Чтобы понять суть проблемы, нам придется начат.
несколько издалека.
Время всеrда сравнивали с рекой. Действительно, ни..
что так точно не отражает наше ощущение времени, ка.
выражение «время течет». В этот потон времени вовл
чены все события. \ Тысячелетний опыт человечества по--
:иазал, что поток времени неизмене Ero нельзя ни YCK
рить, ни замедлить. И уж, конечно, ero нельзя обратить
ВСПЯТЬ. С развитием фИЗИRИ это интуитивное, основанное
123

на повседневном опыте предстаВJlение об абсолютной He...
зависимости времени от событий, от физичесних процес
сов, назалось бы, находило все новые подтверждения:
и в точных опытах в лабораториях, и в наблюдениях за
движением небесных те.Л выступало как неизменная ни
от чеrо не зависящая длительность. Можно вообразить,
что из Вселенной изъяты все процессы, все события,
и все же по интуитивным представления:м: время будет
попрежнему течь как пустая длительность. Таи родилось
представление об абсолютных неизменных времени и про
странстве, в которых происходит движение всех тел и I{O
торые составляют основу классическоЙ физини Ньютона.
и. Ньютон писал: «Абсолютное, истинное, математи
ческое время, взятое само по себе без отношения н KaKO
мунибудь телу, протекает единообразно, соответственно
своей собственной природе». Такая ТОЧI{а зрения на при
роду времени вытекала из ero механики и способствовала
ее становлению. Друrую точку зрения отражают слова
r. Лейбница о том, что время существует ИСRлючительно
в порядке расположения вещей. ОднаК8 Лейбниц не Mor
оrда построить конкретной физичесной теории, OTpa}Ha
ющей этот тезис, и точка зрения Ньютона победила.
Общая картина мира, нарисованная в трудах Ньютона,
представлялась ясной и очевидной: в бесконечном абсо
лютном неизменном пространстве с течением времени
происходйт движение миров. Движение их может быть
очень сложным, процессы на небесных телах весьма
мноrообразны, но это никан не влияет на бесконечную
сцену  пространство, в котором развертывается в неиз
менном времени драма бытия Вселенной. С таRОЙ точки
зрения для материалиста аБСОЛIОТНО ясно, что у времени
(к'ак и у пространства) не может быть rраниц; не может
быть истоков реки времени. Ибо это означало бы Hapy
тение припципа неизменности времени, означало бы
возникновение  «создание» движения материальноrо ми
ра Вселенной. Заметим, что уже философамматериали
стам Древней rреции тезис о бесконечности мира пред
ставлялся доказанным.
А. Эйнштейн, rоворя о ньютоновских представлен:иях,
подытожил их такими словами: «Идея независимоrо cy
ществования пространства и времени может быть Bыpa
жена следу}Ощим образом: если бы материя исчезла, то
остались бы тольно пространство и время (cBoero рода
сцена, на которой разыrрываются физические явления) ».
В ньютоновской теории не ВОЗНИRало вопроса о CTPYK
124

"Туре времени, о ero свойствах. :Кроме Войства быть Bcer....
да одной и той же длительностыо, у Hero не было друrих
СВОЙСТВ. Поэтому в ньютоновсной картине абсолютно яс-
ными были понятия «сейчас», «раньше» и «позже». Для
Бсех событий во Вселенной можно было использовать
единые точные часы, чтобы установить однозначную хро-
нолоrию. Каждому ясно, что имеется в виду, коrда мы
rоворим: «Сейчас со станции на друrом конце rорода ухо...
ДИТ поезд», или «Л вышел из дома на две МИНУТ:f>I позже f
чем: поезд ушел со станции». Точно так же кажется яс...
ным, коrда мы rоворим: «Сейчас 'в rалактике Андромеда
ВЗ0рвалась сверхновая звезда».
Первый удар по этой кажущейся всеобщей ясности
и простоте нанесла специальная теория относительности.
Эта теория ВОЗНИКJlа, коrда наука стала изучать быстрые
движения, которые уже можно было сравнивать со ско",
ростью света. TYTTO впервые начало выясняться, что
река времени отнюдь не так проста, как думали раньше.
Теория относительности установила, что понятия
«сейчас», «раньше» и «позже» имеют простой с:м:ысл толь-
ко для событий, происходящих недалеко друr от друrа.
Если сравниваемые события происходят далеко друr o
друrа, то понятие «раньше» и «позже» однозначны, если
только сиrнал, идущий со сноростью света, успел дойти
от одноrо события до места, rде произошло второе собы...
тие. Если же сиrнал не успел дойти, то соотношение
«раньше»«позже» неоднозначно и зависит от состояния
движения наблюдателя. То, что «раньше» для одноrо на...
блюдателя, может быть «позже» для друrоrо. Такие со...
бытия не MorYT быть причинно связанными, не MorYT
влиять друr на друrа. В противоположном случае собы...
тие, которое было причиной для друrоrо (а значит
произошло раньше ero), с точки зрения neRoToporo
наблюдателя оназалось бы произошедшим позже cBoero
следствия.
Подобные свойства времени теснейшим образом свя-
заны с тем, что сноростъ света в пустоте всеrда постояв...
на, Ве зависит от движения наблюдателя и эта скорость
предельно большая. Ничто в природе не может двиrаться
быстрее.
Еще более удивительным оказалось, что течение вре...
мени зависит от скорости движения тела. Теперь уже в
средней школе проходят основы теории относительности,
11 школьникам известно, что время течет тем медленнее,
чем быстрее по отношению к наблюдателю двилется те..
125

310. ФаI{Т этот надежно IIзм:ереп и n опытах с элементар--
пым:и частицами, и даiRе в прямых опытах с часами па
летящих самолетах.
Следовательно, свойства времени только казались He
изменными. Это происходило потому, что для обнаруже
ния приведенных выше фактов необходимы были столь
быстрые ДВИiнения, которые раньше были недоступны
человену . Далее, теория относительности установила не...
разрывную связь времени с пространством. Изменен:ие
BpeMeHHbIx свойств процессов всеrда связано сизменени",
ем их пространственных свойств.\ Но мы сейчас сосредо...
точимся в основном на свойствах времени.
Создание А. Эйнштейном общей теории относительно...
стй явилось дальнейшим шаrом в познании природы
времени. Оназалось, что на тем:п течения времени влияет
поле тяrотения. Чем сильнее поле, тем медленнее течет
время по сравнению с течением времени вдали от тяrо...
теющих тел, rде поле тяrотения слабо. Этот вывод также
был проверен в прямых экспериментах на Земле и с по
мощью астрофизических наблюдений на Солнце и звездах.
Постепенно оставалось все меньше и меньше от наив
Boro представления наших предшественников о единой
абсолютной реке времени. Время оказалось зависящим от
свойств движущейся материи. i Река времени представля
ется текущей не везде одинаково величаво, а то быстрой
в сужения, то медленной на плесах, то разбитой на МНО'"
жество рукавов и ручейков с разной скоростью течения
в зависимости от условий.
азвитие общей теории относительности в послодние
десятилетия привело уже к подлинно революционным
изменениям наIIIИХ представлений о времени. Это в пер
вую очередь связано с изучением свойств -черных дыр.
Черные дыры представляют собой удивительный cry--
стон rравитации. Они возникают при катастрофичесном
Сi!{атии небесных тел (например, массивных звезд) в кон--
це их ЭВОЛIОЦИИ. При этом rравитационное поле возраста..
ет наСТОЛЬRО, что не выпускает даже свет. Ту область, из
RОТОРОЙ не может выйти свет, и называют черной дырой.
С ТОЧRИ зрения далеRоrо наблюдателя, чем ближе к чер
вой дыре, тем медленнее течет врея. tla rранице черной
Дi)Iры ero беr и вовсе замирает.: Эту ситуацию можно
сравнить с течением воды у береrа реки, rде ток воды
Вtмирает.
Ifo совсем: иная I{артина представляется наблюдателю,
иоторыIй в !{осмичеСI\ОМ норабле отправляется в черную
126

дыру. OrpOI\-I110е поле тнrотения на rравице черноЙ дыры
раЗfоняет падающий корабль до СRОрОСТИ, равной CKOpO
сти света. И тем не менее даленому наблюдателю нажет"
ся, что падение норабля затормаживается и полностью
заl'rlирает на rранице черной дыры. Ведь здесь, с ero точ
Rи зрения, замирает само время. С приближением к этой
с:корости падения время на :корабле танже замедляет свой
беr, как и на любом быстро летящем теле. И вот это за
медление побеждает замирание падения корабля. Растя
rцвающаяся до бес:конечности нартина приближения ко..
рабля к rранице черной дыры изза все большеrо и боль
шеrо растяrивания сенунд на падающем корабле измеря..
ется :конечным числом этих все удлиняющихся (с ТОЧRИ
зрения внешнеrо наблюдателя) сенунд. По часам падаю
щеrо наблюдателя, или по ero пульсу, до пересечения rpa
ницы черной дыры протекло вполне конечное число се..
:кунд. Бесконечно долrое падение корабля по часам
даленоrо наблюдателя уместилось в очень короткое
вреыя падающеrо наблюдателя. Бесконечное для оД--
Horo стало конечным для друrоrо. Вот уже поиСТИ1I8
фантастическое изменение представлений о течении
времени.
Наблюдатель, упавший в черную дыру, никоrда Н8
сможет оттуда выбраться, как бы ни были мощны двиrа.
тели ero корабля. Он не сможет послать оттуда и ника..
них сиrналов, никаких сообщений. Ведь даже свет  са..
:Мый быстрый вестник в природе  оттуда He выходит.
Для внешнеrо наблюдателя само падение Rорабля растя
rивается по ero часам до бесконечности. Значит, то, что
будет происходить с падающим наблюдателем и ero 1\0--
раблем внутри черной дыры, протекает уже вне времен.
t3нешнеrо наблюдателя (после ero бесконечности по вре.
мени). В этом смысле черные дыры представляют собой
дыры во времени Вселенной. Конечно, сразу оrОВОРИМСЯ t
что это вовсе не означает, что внутри черной дыры время
Не течет. Там время течет, но это «друrое» время, теИУ4
щее иначе, чем время внешнеrо наблюдателя
 Что будет с наблюдателем и ero :корамем, упавmии
в рную дыру? Назад, RaH мы знаем, они выбраться нв
cMorYT. Сила тяrотения будет неумолимо тянуть их .
rлубь черной дыры. Канова их судьба?
Еще не тан давно теоретики предполаrали, что, про--
скочив rорловину черной дыры, наблюдатель может по.
явиться из друrоrо отверстия этой rорловины в «нашеМt
пространстве вдали от черной дыры, в которую он упал
121

{рис. 31, а). Jtlлп оп Cl\10jHeT даже «ВЫНЫРНУТЬ» в про..
странство «друrой» Вселенной (рис. 31, б).
Если бы это было возможно, то наряду с черны:мп
дырами во Вселенной должны были бы существовать и
«белые дыры». Это те самые друrие отверстия rорлови
вы, из которых может «вынырнуть» наблюдатель. В бе--
лую дыру нельзя упасть, из нее можно тольно вылететь.
Поистине черные и белые дыры напоминают улицы с ОД..
носторонним движениеl\1 трапепорта. Но это улицы во
времени!
Однано оказалось, что' белые  дыры и rорловины, ве--
дущие от черных дыр R белыМ,...... крайне неустойчивые
объе-нты и поэтому в природе СУПlествовать не lorYT.
А жаль! Ес.ли бы они существовали, то наблюдатель, ныр-
нув в чеРНУIО дыру и вынырнув затем из белой, попал бы
в далекое прошлое «нашей» Вселенной..!JЭто было бы кон..
кретным воплощением «машины времени» r. Уэллса,
движущейся в прошлое. НО еще раз подчерннем, что это
оказалось невозможным.
o же произойдет с наблюдателем в действительно..
сти, если он отважится отправиться в черную дыру на
космичесном Rорабле?
Силы тяrотения будут увленать ero в область, rде эти
силы все сильнее и сильнее. Если в начале падения в KO
рабле (предположим, ero двиrатель ВЫI{лючен) наблюда..
тель находился в певесомости и ничеrо неприятноrо не
испытывал, то в ходе падения ситуация И31\Iенится. Что..
бы понять, что произойдет , вспо:м:ним про приливные си..
лы тяrотения. ИХ действие связано с тем, что точни тела,
находящиеся ближе R центру тяrотения, притяrиваются
сильнее, чем расположенные дальше. В результате при..
тяrиваемое тело растяrивается. Подобное растяженпе пс...
пыыыаетT водная оболочна 3е:Мли....... ее океаны, ноторые
притяrиваются Луной. Тан возникают приливы. 
В начале падения наблюдателя в черную дыру при...
ливное растяжение :мол\ет быть НИ1}:ТОЖНЫМ. НО оно He
избежно нарастает в ходе падения. Как показывает тео--
рия, любое падающее в черную дыру тело попадает в об..
ласть, rде приливные силы становятся беСRонеЧНЫIII.
Это так называемая синrуллрность внутри черной дыры.
Здесь любое тело или частица будут разорвапы прилив..
ными силам:и и перестапут существовать. Пройти СRВОЗЬ
СИНI'УЛЯРНОСТЬ И не раЗРУIПИТЬСЯ не М01кет ничто.
Но если такой исход совершеНllО веивбе}кен для лю..
бых тел внутри черной дыры, то это означает, что в спп..
128

L{ерtl8Я ДtJ1ра
, ,
a
" ,
Белая
OC , 
" ( 
I I
'"
,......... -'
\ I
, I
J ,
I
дь,ра
/
/
Космическй корабль,
влеТВЮULИIr1 в черн'УЮ
дыру
";::
;:::
...\:...
'1'
-;.;.-
\,
-;.,'"
а
Космический корабль,
выл етающий из
белой дыры
L{ epHa Дпl ра
Пространство «нашей»
Вселенной
, '
-;..,
/

Q \
\ 7
\ I .::
\ I "1'
, ,
-;?,'"
,1,
";,'"
, 1"
/.''''
, ,
.'
I '
, ' ,
.
" '
,1,
.
" ,
Космический корабль,
влетающий в черную дыру
Белая дыра
Космический корабль,
вылетающий из белой дыры
,,:.
. /  / -1,
.
, l'
........ ....".
I \
" ..... ....

, I ,
-;..
ПросrраНGТ 80
«друrой >
Всел ен нои
;.'.
, "
....
I'
.
,. "
о
Рис. 31. а  Схема, поясняющая соединение черной дыры с бе...
ЛОII. Плоскос'rь условно изобраiI\ает трехмерное пространство.
П ростраН:СТБО, сильно искривляясь вблизи черной дыры, «свер...
тыается») в трубну, соединяющую черную дыру с белой дырой.
Космический корабль, попадающий в черную дыру, появляется
затем из белой, проле'lая через трубку, а не двиrаяс во внею
нем пространстве меiНДУ звездами. б  Схема, поясняющая coe
дипение черной дыры в «наlпей» Вселенной с белой дырой в
«друrой» Вселенной
q и. ДНОВИНОВ
129

rулярности перестает существовать 11 вреl\lЛ. «I\al\ же
тан?  может спросить читатель. А что же будет потом?
Пусть обломни тел, но все jI{e будут существовать после
таной катастрофы. А значит, и время будет продолжать
свой обычный беr, хотя в этом времени и произошли
столь разрушительные явления в синrулярности».
В том то и дело, что это не так. Вспомним, что свой
ства времени зависят от протенающих процессов. Теория
утверждает, что в синrулярности свойства вреl\lени изме..
IIЯЮТСЯ настолько сильно, что ero непрерывный потон об...
рывается, оно распадается на нванты. Здесь надо еще раз
вспомнить, ЧТО!l теория относительности поназала необхо...
димость рассмаТривать время и пространство совместно,
как единое мноrообрази Поэтому правильнее rоворить
о распаде в синrулярности на кванты единоrо простран
ствавремени.
Точной теории этоrо явления пона нет. Мы :м:ожем
указать лишь самые общие черты Toro, что должно про...
исходить. Прежде Bcero возникает вопрос: нановы разме...
ры этих квантов пространствавремени? Оназывается, на
этот вопрос можно ответить, даже не имея подробной
теории.
Мьi уже rоворили о планковсном моменте времени,
которому соответствуют во Вселенной планновсние энер"
rии. Вероятно, эт-а величина и определяет вре:меннбй
масштаб нвантов времени. Напомним, что она равна
3 · 1044 С. МЫ неоднонратно подчеркивали единство Пр01
странства и времени. ПОЭТОl\IУ правильнее rоворить о рас..
паде на нванты единоrо пространственновременноrо мно",
rообразия.. При этом: пространственные размеры этих
квантов равны планковской длине  10ЗЗ С:М.
Повидимому, промежутнов времени меньше, чем t п ,
быть не может. Это хотя и необычно, но не столь уж не...
ожиданно. Ведь мы знаем из нвантовой физини, что су...
ществует, например, нвант элентричесноrо заряда или
:МИНИIvIальная порция световой энерrии данной частоты 
ивант света. Не столь уж удивительно, что может суще...
ствовать и нвант времени. ХХ вен приучил нас к науч..
ным чудесам. Заметим, что таное представление о приро...
де времени связано с принципиальной необходимостью
квантовых проявлений бунвально всех процессов в син",
rулярности.
Rоrда мы переходим н условиям, rде все определяется
квантовостью материи, то и время приобретает квантовые
черты (в очень малых масштабах). С этой точни зрения
{З0

непрерывный поток времени СОСТОИТ из ненаблюдае:м:оrо
истинно диснретноrо процесса, подобно рас.сматриваемому
издали непрерывному потоку песка в песочных часах,
хотя этот поток состоит из ДИСRреТRЫХ песчинок.
И так, в спнrулярности внутри черной ды1ыы время
распадается на дискретные кванты и, повидим:ому, с при--
ближение:м R синrулярности на ПрОl\lеЖУТОR времени t п
или в пространстве на rп == сt п не имеет больше смысла
спрашивать, что будет, если пройдет еще BeMHoro време...
ни по часам падающеrо наблюдателя. ПромеЖУТОR t п раз--
делить на части уже принципиально нельзя, иак нельзя
разделить на части фотон. Понятия «раньше» и «позже»
полностью теряют смысл; и, возможно, ОRазывается бес...
смысленным вопрос: что будет после синrулярности?
Чтобы KaRTO пояснить эту мысль, приведем такую
аналоrию. Вспомним движение электрона в атоме по од...
ной из стационарных орбит. На Rлассическом языке мы
rоворим «электрон движется». Но на квантовом ЯЗЫRе ro...
ворить здесь о движении нельзя, правильнее сказать, что
электрон находится в определенном состоянии, описы...
Баемом неизменнОЙ во времени волновой функцией, даю-
щей вероятность пребывания электрона в том или ином
?vleCTe.
Наверное, и «течение времени» в Rвантовой теории
синrулярности необходимо описывать чемто подобным
волновой или вероятностной функции, хотя выражение
«вероятность протекания TaRoro",To промежутка времени»
и кажется совершенно необычным.
llодведем итоr сказанному. В синrулярности свойства
времени, вероятно, сильнейшим образом изменяются, при...
обретая нвантовые черты. Река времени дробится здесь
па недеЛИl\lые капли... Неправильно сказать, что синrу...
лярность  rраница времени, за КОТОрОЙ существование
материи происходит уже вне времени. Но следует ска...
зать, что пространтвенновременныIe формы существова...
ния материи приобретают здесь совсем особенный харак...
тер, а мноrие привычные понятия становятся даже бес...
см:ысленными. О характере законов природы в синrуллр...
ности :м:ы можем пока только доrадываться.
Все сказанное о синrулярвости в черных дырах  по...
на ТОЛЬRО выводы теореТИRОВ, хотя и опирающиеся па
всю современную фИЗИRУ. Это передний :край науки,
и MHoroe еще будет уточняться. Но следует помнить, что
черные дыры, в ноторых обязаны существовать синrуляр...
пасти, оrраппчиваlощие поток обычноrо непрерЫВНОIО
19*
131

вреl\lени, реально сущеСТВУIОТ БО Вселенной. несRолы\o
таких объектов с большой степенью надежности уже ОТ--
RРЫТЫ астрофизиками. От:крыты своеобразные стоки рки
времени......... эти омуты, из RОТОрЫХ нет возврата.
Обратимся теперь от черных дыр к нартине эволюцип
всей Вселенной. Мы видели, что расширение ВселенноiI
началось с плаНRовсноrо вреIени 3 · 1044 с. Здесь иснрив
ленность пространствавремени и описываемые им пр:и
ливные rравитационные силы столь же велики, нан и в
синrулярности в черной дыре. Эта синrулярность (ее Ha
зывают носмолоrичесной) в начале расширения Вселен
ной во MHoroM похожа на синrулярность внутри черных
дыр. Но имеются и существенные отличия. Вопервых,
Rосмолоrичесная синrулярность относится ко всей Bce
ленной, а не R наRОЙТО части вещества, нав: в случае
черных дыр. BOBTOpЫX, носмолоrичесная синrулярность
лежит не в нонце процесса сжатия (нан синrулярность
в черных дырах), а в начале процесса расширения. По--
следнее особенно существенно. Синrулярность в черных
дырах мы снаружи (извне черной дыры) увидеть не MO
тем, она нинан не влияет на события во Вселенной вне
черной дыры.
Это обстоятельство было названо анrлийсним физи--
комтеоретином Р. Пенроузом принципом носмичесной
цензуры. Космолоrичесная син-rулярность, наоборот, яви
лась истоном всех процессов в расширяющейся Вселен..
ной. Все, что мы видим сеrодня, является следствием син"
ryлярности. В этом смысле мы можем изучать носмоло--
rичесную синrулярность по наблюдаемым ее последстви...
ЯМ, можем ее «видеть».
К этой синrулярности применимо все то, что мы rOBo"
рили о синrулярности в черных дырах. Что было до
синrулярности? Было ли сжатие Bcero вещества и тенло
обычное время или нет? ОRончательноrо ответа на эти
вопросы пона нет. Но большинство специалистов считают,
что нинаноrо сжатия не было и носмолоrичесная синrу...
JIЯРНОСТЬ является истоном рени времени в том смысле,
нан синrулярность в черных дырах является нонцом «ру..:.
чейнов времени». Это означает, что в носмолоrичесной
синrулярности: вре:м:я тоже распадается на нванты И, воз...
можно, сам вопрос: «Что было до Toro?» теряет смысл.
Здесь у исследователей пока очень MHoro неясностей.
Вероятно, вблизи синrулярности, в масштабах 3. 1044. С
:во времени и 10З3 см В пространстве, существует свое-
образная «пена» нвантов пространствавремени, нан
132

rопоря'l', квантовые фJIуктуации пространства и времени.
Рождаются и тут ,не исчезаrот :малены{ие «виртуальные»
замкнутые миры и виртуальные черные и белые дыры.
Это МИНРОСI{опичеСI\ое «нипени:е» пространствавремени
в ненотором отношении аналоrично рождению и умира
нию виртуаJIЬНЫХ частиц, о ноторых мы rоворили, описы
вая нвантовую природу вануума. Напомним еще, что
при расс:матриваемых больших энерrиях в очень малых
l\lасштабах, ВОЗl\10ЖНО, пространство имеет не три, а боль...
ше изм:ерений (см. с. 92). Эти дополнительные измере
ния тан и остаются снрученными: «сномпантифицирован
ными». А в трех пространственных измерениях Вселен...
пая расширяется, превращаясь в «нашу Вселенную».
3анончим: этот раздел стихами, причем, повидимому,
первыми стихами, посвященными истонам «рени времени»
и ее всеохватывающему потону:
Я rоворю, что время, как вода
течет меж пальцев на песок остывший,
и сквозь песок уходит в никуда...
И если Лета  всетаки река,
что разделяет два столь разных мира,
ее поток  теряется в веках.
Но есть река, что не имеет дна,
чьи береrа теченья не стесняют...
Приходит срок  в ней тонут имена.
Ее вода прозрачна и темна,
и все она собою заполняет,
и между строк и в музыке слышна.
И дважды в эту реку не войти,
и нет пути к таинственным истокам,
rде Время спит, свернувшись в плотный кокон
у Вечности на каменной rруди.
М. Катыс
30. ВСЕЛЕННАЯ КАК ТЕПЛОВАЯ МАШИНА
rлавная мораль из Bcero сназанноrо в пре...
дыдущем разделе состоит в следующем. R состояниям
с плотностью материи порядна 1094 r/см З , Rоrда радиус
иснривленности пространствавремени ,порядна 10ЗЗ см,
уже неприменимо понятие непрерывно тенущеrо времени
и непрерывноrо пространства  вознинает «пространст
венновре:м:енная пена».
Читатель вправе спросить: «Возможно ли в принципе,
чтобы проmлая эволюция Вселенной выrлядела следую
щим образом:. До синrулярноrо состояния происходило
сжатие Вселенной, плотность материи увеличивалась и в
нонце концов вознинла «пространственновременная пе
133

па». ааконы ПрИРОДЫ в ЭТОМ СОСТОЯЦИИ J.IЫ :;1l1асм: еще'
очень плохо, точнее 1 ТОЛJt<о доrадъtваIСЯ о неI{оторыr иа
них. В 9тпм tостоянии, верuЯТНО, возникают оrромные
силы rравитационноrо uтталкивания, О которых мы rOBo"
рили выше. 3ти силы останавливают сжатие Вселенной
и заставляют ее начат расширяться. В этоЙ раСШИРЯIО
щеЙся Вселенной мы и живем сеrодня. Возм:ожна ли Ta
:кая общая нартина, или, как принято теперь rоворить
среди специаЛИСТОВ,воз:м:ожен ли таной сценарий?».
В принципе, такой сценарий возможен. Десятилетия
вазад, да и еще недавно неноторые специалисты относи
лись :к нему весьма блаrосклонно. Вероятно, это отноше..
вие связано в первую очередь с чисто субъективными
причинами. Действительно, в таком: сценарии время длит..
ся ОТ «минус бесконечности до плюс бесконечности», хо..
тя в синrулярном состоянии и возникают «накието неяс
ности» , но рена времени не и:меет ни истока, ни конца
в полном соrласии с вашими привычными и «наrлядны"
ми» представлениями. Правда, в простейшем варианте
сценария есть заметный дефент. А именно мы считаем,
что в далеком прошлом Вселенная сжимается из беско
вечно разреженноrо начальноrо состояния. "Уж очень при..
митивно и наивно выrлядит это начальное состояние бес...
нонечно малой плотности.
Указанный «дефент» пытались убрать следующим об...
разом. Будем считать, что плотность вещества во Пселен
ной больше критическоrо значения. Тоrда, кан мы знаем
(см. раздел 7), расширение Вселенной сменяется ежати...
ем. Если теперь мы положим, что после сжатия до син",
rулярноrо состояния наступает расширение, то это озна...
чает повторение цинла: новое расширение Вселенной, за...
тем новое сжатие и т. д.
Таким образом, мы получили пульсирующую модель
Вселенной. На первый взrляд эта модель выrлядит очень
привлекательно. Rазалось бы, в такой модели нет истока
реки времени, Вселенная существует вечно. Кроме Toro,
здесь нет и cTpaHoro состояния беснонечно малой плот...
ности в далеком прошлом, а вместо этоrо предстает нар..
тина в среднем неизменной вечной Вселенной с беСRонеч...
пым числом циклов  пульсаций.
Но оназалось, дело обстоит не так просто, и подобный
сценарий эволюции Вселенной вряд ли может осущест"
вляться в действительности. Трудности, которые возни...
кают в такой теории, уходят своими корня:м:и в середину
прошлоrо века.
134

в 1850 r. пеl\IеЦltий физик Р. Клаузиус и в 1851 f. не..
зависимо от Hero анrлийский физик У. Томсон открыли
закон, известный :кап второе начало тер:модина:м:и:ки.
В формулировне То:мсона этот за:кон звучит следующим
обраЗОl\1: «В природе неВОЗМQiIiен процесс, единственным
результатом HOToporo была бы механическая работа, co
вершенная за счет охлаждения тепловоrо резервуара».
Отсюда следовало, что невозможно полное превращение
тепла в механическую энерrию или же в друrие виды
энерrии. Это означает, что если изолировать накуюлибо
систему, то в нонце нонцов в этой системе все виды энер
rии перейдут в тепло, а тепло равномерно распределится
по всей систеl\Iе и наступит, нан rоворят, терм:одинамиче
сное равновесие.
На прантине мы прекрасно знаем проявление этоrо
занона. Трение, например, в механичес:ких системах co
ПРОБождается переходом механичеСRОЙ энерrии в тепло.
В тепловых машинах мы можем, правда, наоборот, пере...
водить тепловую энерrию в механичесную работу, но для
этоrо обязательно надо поддерживать разницу в темпе...
ратурах наrревателя и холодильнина машины, иначе она
работать не будет. На это надо' затрачивать энерrию и
часть затрачиваемой энерrии при этом также переходит
в тепло. Тепла вознинает при этом больше, чем обратноrо
превращения тепла в механическую работу в тепловой
Машине. Так происходит непрерывное нанапливание теп
па, переход всех видов энерrии в тепло. Позже Клаузиус
дал математичесное выражение BToporo начала TepM:O
динамини.
Томсон и Клаузиус поняли, накое важнейшее значе
вие им:еет ОТНРЫТЫЙ ими закон термодинамини для эво...
люции всей Вселенной. Действительно, для в.сей Вселен--
ной обм:ен энерrией с наНИl\IИТО «друrими системами» не--
возможен, т. е. Вселенная должна рассматриваться нак
изолированная система. Значит, во Вселенной все виды
энерrии должны перейти в нонце нонцов в тепло, а тепло
должно равномерно распределиться по Вселенной, после
чеrо все макроскопические движения прекратятся. Хотя
закон сохранения энерrии при этом не нарушается, энер
rия нинуда не исчезает и остается в виде тепловой энер'"
rии, но она о:казывается «бессильной», лишенной возмож",
ности превращения, возможности совершать работу дви--
женин. Таное мрачное состояние получило название теп--
ловой смерти ВселеННОII. Читатель, наверное, соrласится,
что таное название очень точно характеризует саму суть
135

.
состояния. Но Вселенная, в RОТОрОЙ мы живем, явно не
находится в состоянии «тепловой смерти»! Отсюда на...
прашивались теолоrичесние выводы: либо Вселенная су...
ществует сравнительно недолrо и не пришла еще н со...
стоянию «тепловой смерти», либо «нто...то» со стороны
вмешивается в эволюцию Вселенной, не давая ой разви...
ваться н состоянию «тепловой смерти».
Проследим, нан эти трудности и мрачные преДСI\аза...
ния преодолевались науной. Термодинамичесние идеи
Rлаузиуса и Томсона были развиты австрийсним фиаи...
ном л. Больцманом. Он понаэал, в чем заI\лючается смысл
BToporo начала термодинаМИI\И. Тепло является по...суще...
ству хаотичесним движением атомов или молекул, со...
ставляющих материальные тела. Поэтому переход эвер'"
rии м:еханичеСRоrо движения отдельных частей системы
в тепло означает переход орrанизованноrо движения
в хаотичеСI{ое, увеличение беспорядна в системе. То же
можно сназать и об остальных видах движения м:атерии.
Таное увеличение беспорядна неизбежно в силу стати...
стичесних занонов, если тольно на систему не влиять из..
вне, не способствовать сохранению порядна.
Л. Больцман поназал, что мерой беспорядна в системе
является величина, введенная еще Клаузиусом, энтро",
пия. Чем больше хаос, тем больше энтропия. Переход
отдельных видов движения материи в тепло означает
рост энтропии. Коrда все перешло в тепло, а тепло рав"
номерно распределилось по системе  то это состояние
мансимальноrо хаоса уже не меняется с течением вре:м:е..
ни и соответствует мансимуму энтропии.
Но таная интерпретация означает, что второе начало
термодинамини не вееrда выполняется абсолютно точно,
возможны отнлонения от Hero. Действительно, смысл это--
ro занона состоит в том, что изолированная система пере-
ходит во все более вероятное состояние хаотичеСRоrо
движения частичен, ее составляющих. Но в ходе TaI\OrO
перехода возможны случайные отнлонения, qJлунтуации.
Тан, например, в наном",то небольmом объе:ме rаза атомы
MorYT, получив толчни пр!! столнновениях от соседей, слу...
чайно начать двиrаться в одном направлении. Это будет
уже не тепловое (хаотичесное) движение, а направленное
движение элемента rаза в целом. Здесь тепловое движе...
пие частиц случайно перешло в направленное механиче...
сное движение. Но разумеется, тание случаи очень реДI\И
и маловероятны. И чем больший объем в rазе мы будем
брать, тем с меньшей вероятностью с ним MorYT случаТЪ 41
136

ел подобные казусы. В целом:, за исключением очень
редких и небольших флуктуаций, энтропия изолирован--
ной системы всеrда растет, и система приходит в наиба...
лее вероятное состояние мансимума энтропии, в котором
должна пребывать неоrраниченно долrо. Но все же, по...
вторяе:м:, хотя и редко, то в одном месте системы, то в
друrом по закону случая будут происходить ОТRлонения
от этоrо состояния, нан правило, очень небольшие.
Вот на этом пути л. Больцман и иснал выхода ив
мрачноrо занлючения о «тепловой смерти» Вселенной.
Беснонечная Вселенная, rоворил он, вечно пребывает
в наиболее :аероятном состоянии термодинамичесноrо рав--
вовесия с максимальной/энтропией. НО в любом объеме
ее возможны редние отнлонения от этоrо состояния 
флунтуации. Правда, в больших объемах заметные флук
туации очень редки. НО если у нас в запасе бесконечное
время, то мы можем дождаться сколь уrодно большой
случайной флуктуации в оrромных объемах. Вот в такой
rиrантской флуктуации, соrласно Больцману, мы и живем.
Флуктуационная rипотеза Больцмана была единственной,
с точки зрения физики Toro времени, попыткой опровер...
жения вывода о «тепловой смерти» вплоть до открытий
Фридмана и Хаббла расmиряющейся Вселенной.
Эти открытия в корне изменили наIПИ представления
о том, к какому состоянию направлена эволюция процес...
сов во Вселенной. Прежде Bcero выяснилось, что вывод
о «тепловой смерти» не учитывал определяющей роли
тяrотения в эволюции Вселенной. В рассуждениях о «теп...
повой смерти» тяrотение вообще иrнорировалось. Между
тем этоrо делать никак нельзя.
В обычных рассуждениях о переходе всех видов энеp...r
rии в тепло и о замирании в результате этоrо всех пр
цессов в изолированной системе предполаrалось, что
общее количество энерrии системы не меняется. Естест...
венно, снажет читатель, ведь система изолирована, не 06...
менивается энерrией с окружением. Откуда же може'!
ввяться дополнительная энерrия, Beд закон сохранения
вверrии не нарушается?
Конечно, занон сохранения энерrиИ' незыблем, но мы
не учли в нашИ'х рассуждениях энерrию тяrотения.
А эта энерrия своеобразна тем, что она отрицательна. По
считаем, например, энерrию тяrотения rазовоrо шара.
Предположим, что сначала вещество шара было холодное
и рассеяно в пространстве, ero частицы практичеСRИ пе
взаимодействовали, их взаимное тяrотение было крайне
137

l\fзл6 и rравитаци:онпая эперrил вешества практически
равна нулю. Пусть постепенно ПОД действием хотя и сла.
боrо тяrотения веПJ;ество собирается в юар, и этот шар
все сильнее сжимается тяrотением. ЯСНО, что вещество
шара при этом набирает все ббльmУIО скорость и, следо
вательно, все большую кинетическую энерrию движения.
Эта положительная энерrия движения нарастает за счет
тяrотения. Но в силу закона сохранения энерrии полная
энерrия системы должна сохраняться. Поэтому рост по
ложительной энерrии движения сопровождается ростом
отрицательной знерrии тяrотения (ее абсолютноЙ величи
вы). Можно покааать, что при массе вещества М и CjI\a
тин ero до размеров R rравитационнан знерrия по поряд
НУ величины есть
G ]\,12
E rpaB ==  Я.
(30.1 )
Теперь понятно, что при сжатии системы noложuтельnaя
часть ее энерrии .может возрастать за счет тяrотения. ВОТ
это обстоятельство раньше и не учитывалось, :коrда на
тяrотение не обращали должноro внимания. Раз положи
тельная часть энерrии изолированной систе:м:ы может
возрастать, то нарастание энтропии (которое обязательно
происходит) ие обязательно ведет к замиранию процессов.
Таким образом, неправилен ВЫВОД о «тепловой сиер
ТИ» в ТОМ виде, как он делался в середине проmлоrо века.
А значит, вет нужды и в опровержении T8Koro заКЛIоче
НИЛ, которое делалось BO флуктуационной rИПQтезе
Больц:м:ана.
Посмотрим теперь, как конкретно «работает» тлrоте
вие в модели пульсирующей Вселенной, опроверrая вывод
о зам:ирании всех макроскопических крупномасштабных
движений в }Iире. В пульсирующей Вселенной в каждом
цикле происходит увеличение энтропии (накопление теп
ла), соrласно второму началу термодинамики, справедли...
nость ROToporo, Rонечно, не нарушается, во всяком случав
вне синrулярноrо состояния сверхболыпой плотности ма..
терии. Накопление тепловой эдерrии происходит в боль
тпх lrlасmтабах, например, при свечении звезд, рождаIО...
щих MHoro фотонов.
Будем предполаrать, ЧТО и в синrулярно:м состоянии
энтропия не может резко уменьшаться. Тоrда энтропия
нарастает от цикла к циму. На первый взrляд ЭТО долж
во было бы приводить R замиранию пульсаций, к YMeHЬ
mению их амплитуды, так как их энерrия должна пере
138

ХОДИТЬ В тепло. l\ааалось бы, картина должна быть по-
добна затуханию колебаний АfаЯТНИl\а, коrда трение в ero
подвесе постепенно переводит энерrИIО :колебаний в тепло.
На самом деле Rартина пульсаций Вселенной выrлядит
совсем иначе  амплитуда пульсаций Вселенной увели
чиnается!
Покажем ЭТО..
ДЛЯ этоrо обратимся прежде Bcero к формуле (5.1)'.
В м:о:м:ент МЗRсимума расширения Вселенной в каждом
цинле, коrда расширение сменяется сжатием, спорость v
t!:виления вещества . шара на мrновение обращается в
нуль. Поэтому мы должны приравнять нулю выражение
под корне:м в правой части и получим условие для этоrо
момента: 2GM/R max == A, rде Ншах  радиус шара в этот
MOl\JleHT. Напомним, что плотность м:атерии в нашей Moдe
ли больше нритическоji и са:м:о А отрицательно. Теперь
замеНИА{ в этом выражении М на 4/злRах.Р*, rде Р* 
ПJI0ТНОСТЬ материи в А-I0мент мансимума расширеНИf.
2 .
После этоrо мы получим Р* .R шах == const. Наконец, вспом..
ним, что В разделе 10 мы rоворили о радиусе кривизны
пространства l, которыЙ изменяется со временем: тан же,
как и радиус шара R. Поэтому и для радиуса кривизны
lmax в lIаI{сим:уме расширения Вселенной мы должны за..
писать
Р*. ax == const.
(30.2)
Тан как в наПIей модели плотность материи Болыеe кри-
тической, то это означает, что трехмерное пространство
замкнуто и имеет конечный объем. По поряд:ку величины
этот объем в максимуме расширения равен lax, а пол..
ная масса материи J{ во Вселенной есть
р* .z:пах == J{  (30.3)
Поделив (30.2) на (30.3J, получим
lшах == .IIl / const.
(30.4)'
ИтаR, lmax пропорциональво полной массе материи J( во
Вселенной. Но полная масса материи J( складывается из
суммы :м:асс частиц и массы эквивалентной тепловой энер.
rии хаотическоrо ДВИiкенил частиц и энерrии фотонов.
Тепловая эверrия все время увеличивается соrласно BTO
рому закону термодинамики. Это 0значает, что будет рас--
ти и Jt, а значит и пропорциональная ей веЛИЧIIна lmax,
хараI\теризующая амплитуду пульсации ВселеННОlI. Та..
139

ним обраЗОl\I, Иl\1еет место не затухание пульсаций, а pac
}{ачна (рис. 32)! Отнуда же берется энерrия на расначку?
Очевидно она берется за счет отрицательной энерrии rpa
витационноrо поля, так что сумма положительной энер
rии и отрицательной не меняется, закон сохранения энер
rии выполняется.
Возможно ли, что наша реальная Вселенная описыва
ется рассмотреНlIОЙ моделью? Вряд ли это так. Дело в
том, что хотя в модели никакоrо подобия старой картины
«тепловой смерти}) не существует, но тепло, энтропия все
l
t
Рис. 32. }:величение амплитуды пульсаций Вселенной. Макси...
мальное значение радиуса кривизны пространства l Вселенной
возрастает в Rаждом ЦИRле
более накапливаются в модели в ходе пульсаций. Если
бы было бесконечное число пульсаций, то инакопилась
бы бесконечная энтропия, чеrо нет на самом деле. Зна...
чит, бесконечноrо числа пульсаций не было. Но тоrда ис
чезает rлавная привлекательная черта модели  ее бес...
Rонечное время существования в прошлом. И мы снова
возвращаемся к проблеме начала.
ТаRИМ образом, мы вряд ли живем в пульсирующей
Вселенной. Но тоrда какова же наиболее вероятная ис
тинная картина прошлоrо Вселенной?
31. БОЛЕЕ ЧЕМ СТРАНПАЯ ВСЕЛЕННАЯ
KTOTO хорошо сказал: «Мы только тоrда
узнаем насколько проста Вселенная, коrда поймем: на...
СRОЛЬКО она необычна». Здесь в нашем рассказе о взрыве
Вселенной происходит еще один поворот. А. Эйнштейну
принадлежит высказывание: «Ч то меня действительно
rлубоно интересует, так это  Mor бы Боr создать мир
иным». Великий физи под словом «Боr» подразумевал
прирс>ду, поэтому мы должны понимать это высказывание
как вопрос о том, моrла ли онружающая нас Вселенная
быть устроена иначе. Такие вопросы, котерые раньше
140

было «не принято задавать», мы по существу уже начали
рассматривать на с. 59 и далее на с. 101. Сейчас даваЙте
задумаемся вот над чем. Что было бы, если бы законы
<})ИЗИRИ были иные? Например, что произойдет, если из
менить заряд элеRтрона (и протона) в неСКОЛЬRО раз,
или, СRажем, изменить массу элек;рона? Читатель, Bepo
ятно, ответит TaR: «От величины заряда зависит сила
притяжения между протоном и элеRТРОНОМ, от массы
электрона зависят особенности ero движения в свлзан
ных состояниях в атомах. Значит, УRазанные изменения
приведут R тому, что изменится размер атомов, а следо
вательно, и размер ОRружающих пас тел. Если изменения
свойств электрона будут небольшими, то и ОRружающие
предметы тоже из:м:енятся не сильно».
Наверное, похожий ответ будет и на вопрос о том, что
произойдет , если изменить величину постоянной тяrоте
ния G. При этом, очевидно, изменится сила тяrотения для
тех же масс. От этой силы зависит темп эволюции небес
ных тел, их размеры. Значит, изменятся и они. И опять,
если изменение постоянной тяrотения будет не очень
большим, то и вариации небесных тел таRже окажутся
малыми.
Подобные ответы ожидаются и на вопросы об измене
'Яии друrих физических ROHcTaHT.
Общий ожидаемый ответ состоит в то:м, что мыслеп
вый опыт по сравнительно небольшому изменению фи
зичеСRИХ констант сопровождался бы соответствующим
небольmим количественным изменением в окружающем
мире. Качественных же rлуБОRИХ изменений во Вселен:'
ной при таRИХ вариациях ROHcTaHT произойти не должно.
Вот это заключение и оказывается совершенно He
верным.
Давайте в этом разберемся. Обратимся для примера
R простейшему (и важнейшему во Вселенной!) атому 
атому водорода. Он состоит из протона и элеRтрона и MO
жет существовать неоrраниченно долrо, если ero не под
верrать внешним воздействиям. Спрашивается: а почему
элеRТРОН не вступает в реаRЦИЮ с протоно:м:? Ведь иэ...
вестно, что .если на ускорителе столкнуть элеRТРОН с про
тоном, то возможна реакция превращения этих частиц
в нейтрон и нейтрино:
р + e  п + v. '(31.f)'
Поче:м:у подобной реаRЦИИ не происходит в атоме водоро"
да? Все дело в том, что эта реанция «энерrетичеСRИ Be
141

выrодна»; сумма масс покоя протона и электрона меньше
чем :масса нейтрона. Поэтому, коrда частицам не сообще
на заметная энерrия, протону и электрону неоткуда взять
дополнительную массу, чтобы создать нейтрон да еще co
общить энерrию улетающему нейтрино. Б реакции на
ускорителе соответствующий неДостаток массы черпается
из энерrии движения частиц. Нейтрон массивнее протона
на /).т === 1,3 МэВ, а масса электрона BCerO те ==
=== 0,5 IэБ *). Бот если бы м:асса электрона была не
0,5 МэБ, а превыmала бы /).т и была, скажем, 2 МэБ,
тоrда реакция (31.1) моrла бы происходить без всяких
эатрат энерrии. Она бы осуществлялась в атоме водорода,
который, как показывают расчеты, просуществовал бы
Bcero около 30 часов.
1'1 так, для существования атома водорода неоБХОДИl\IО,
чтобы
те < /).т.
(31.2)
Можно представить себе, что не масса электрона увели...
чивается, а Ilm уМ:еньшается......... результат будет тот же.
Если вспомнить, что масса нейтрона или протона около
1000 МэБ, то ясно, что пзм:енение массы этих частиц все..
ro примерно на одну тысячную их величины ведет к j на..
тастрофическим последствиям......... к нестабильности атома
водорода, caMoro распространенноrо элемента во Вселен...
ной. Последствия этой нестабильности были бы поистине
ужасны. Б природе не было бы водорода........ не было бы
rлавноrо ядерноrо rорючеrо для эвезд Вселенной. Значит,
не было бы обычных звезд со всеми вытекающими отсю...
Да последствиями. Жизнь в такой Вселенной вряд ли бы
ла возможна.
Бот к каким чудовищным Качественным последствиям
может привести небольшая вариация масс элементарных
частиц. Наше счастье, что в действительности нейтрон
неснолько тяжелее протона, а масса электрона почти в две
тысячи раз меньше этих элеlентарных частиц.
Чтобы сназанное не показалось экзотичеСКИl\1 исклю"
чением, приведем еще пример.
Рассмотрим дейтоН......... ядро атома тяжелоrо водорода
'(дейтерия). Оно состоит из протона и нейтрона. Ядерное
взаимодействие, связывающее протон и неЙтрон в единую
систеl\IУ  дейтон, Иl\lеет энерI'ИЮ в этом случае 8 св 
*) Здесь и далее мы выражаем: массу частиц в знерrстиче...
ских единицах (СМ. с. 67).
142

 2,2 МэБ. Это не очень MHoro, друrие ядра связаны проq..
нее. Дейтоп MOiReT длительно существовать и не распа..
дается сам: пото:му, что нейтрону «энерrетичеСRИ невы..
rодно» распасться в дейтоне на протон, электрон и анти
нейтрино (см. выражение (21.2)), что привело бы н раз..
валу дейтона. Действительно, при распаде нейтрона энер
rия движения образовавmихся частиц Е вознинает за счет
т, и тан нан помимо образования протона надо еще
затратить энерrию на образование массы вылетающеrо
электрона те, то (мы считаем энерrию нейтрино очень
маленьной)
л
Е == т  те  1,3 МэВ  0,5 МэВ  0,8 МэВ. (31.3)
Энерrия же связи дейтерия
8 св  2,2 МэВ > Е  0,8 МэВ.
(31.4)'
Поэтому распад дейтерия энерrетичесни невыrоден и он
м:ожет длительно существовать. Для стабильности дейте...
рия, нан мы видим:, обязательно условие 8 св > Е, ноторое
м:ожно переписать в виде
т < 8 св + те. (31.5)'
rлядя на выражение (31.2) мы убеждаем:ся, что для ста"'"
бильности атома водорода хорошо бы иметь т побольше.
Но с друrой стороны, неравенство (31.5) убеждает нас,
что если мы сделаем 6,т слишном большим и нарушим
(31.5), то нестабильным станет дейтерий! 1\ каним след...
ствиям это поведет? На первый взrляд  не очень серь...
езным. Ведь дейтерия в природе мало, ну и пусть ero
не будет совсем. Но мы теперь, уже имея неноторый опыт
в рассуждениях, не будем столь поспешны в выводах.
Действительно, чуть более внимательный анализ поназы..
вает, что не стабильность дейтерия натастрофична для
природы.
В самом деле, образование дейтерия  это первый шаr
в цепочне ядерных превращений, ведущих от водорода
:к более тяжелым элементам, ноторых не было в очень
ранней Вселенной. Тание ядерные реанции происходили
и в первые минуты расширения Вселенной, они происхо...
дят и сеrодня в недрах звезд, в процессах, превращающих
водород в rелий. Если бы дейтерия не было, то обычный
путь образования элементов тяжелее водорода стал бы
нев'озможен. А это снова бы привело R нардинальным
:качественным изменениям во Вселенной.
143

ПРОДОЛiная :эту ЛППIIIО apI'Y.MeIlTOB, IОII\ПО добавитr>
следующий фант. Постоянная сильноrо взаимодействия
танова, что ядерные силы достаточны, чтобы удержать
протоны и нейтроны в сложных атомных ядрах. Если бr-.1
эта постоянная была неснолько меньше, то ядерные силы
оказались недостаточны для устойчивоrо существования
всех слоЖных атомных ядер. Это означает, что в природе
не были бы возможны ни соответствующие ядерные про..
цессы в звездах, ни химические формы движения мате.,.
рии и, по всей видимости, невоз:можна была бы и жизнь.
Наконец, рассмотрим еще одно следствие, связанное
на этот раз с воображаемым изменением постоянной тя"
rотения.
Астрономам: известно, что в звездах с массой, пример..
но равной массе Солнца и меньше, значительные толщи
их поверхностных слоев испытывают нонвентивное пере..
мешивание. В то же время более массивные звезды после
образования не имеют поверхностных :конвективных сло...
ев. Существует rипотеза, что образование планетных си..
стем, происходящее совместно с образованием звезд, м:о"
тет успешно проходить только у та:ких звезд, которые
после образования сохранили поверхностную нонвеКЦИIО.
Анализ показал, что если бы постоянная тяrотения
оказалась.. заметно больше, чем это есть на са:мом деле)
то все звезды после образования не имели бы поверх...
постных конвективных слоев, а значит не име.ли бы, ве...
роятно, и планетны систем. По"видимому, жизнь В та...
:кой Вселенной была бы вевозможна. Хотя в дaHHO1 слу..
чае арrументация основывается лишь на ряде rипотез,
тем не менее вывод тоже впечатляющ.
Мы не CTaHe1 приводить дальнейших примеров и
только заl\fеТИI, что внимательный анализ показывает
следующее. Изменение некоторых постоянных может при...
вести н невозможности вообще образоваться rалактикам:,
звездам или дале элементарным частицам! То есть при...
ведет I{ певозможности появления 'Скольконибудь слот...
ной структуры во Вселенной.
Таким образом, относительно небо.льшие вариации
фундаментальных постоянных ведут не просто н неболь...
тим количественным изменениям, а к :кардинальным на...
чественным изменениям в природе. В этом смысле «наша»
Вселенная оказалась весьма неустойчивой по отношению
R подобным изменениям в законах физики. Читатель, на...
первое, спросит с некоторым сомнением: «Все это весьма
любопытно, но какой смысл в подобных рассуждениях?
144

"Кто" или "что" может варьировать законы физики, ведь
мы знаем реальные значения постоянных, и в рамках
этих законов должны вести рассмотрение всех процессов
в природе. Ведь нет же в действительности нанойто
"друrой" физини и нет "друrих" вселенных?»
Прежде чем отвечать читателю, мы обратим внимание
на следующие удивительные фанты, относящиеся н «на...
шей» физине и «нашей» Вселенной.
Условия, которые мы перечислили выше, и друrие,
необходимые для существования сложных СТРУНТУР, вы....
rлядят пороЙ весьма странно.
В самом деле, обратимся н первому условию, записан....
ному в виде неравенства (31.2). Соrласно этому неравен....
СТВУ масса электрона
должна быть мала и не
просто мала, а меньше
1,3 МэБ. ПОс10трим
теперь на списон масс
элементарных частиц.
Электрон  наилеrчай
шая частица из имею
щих массу поноя. Она
110ЧТИ в две тысячи раз
леrче протона и в ДBe
сти раз леrче следую
щей по массе части
цы  мюона. Обращает
на себя внимание тот
факт, что элентрон не
просто леrче всех ДРУ--
rих частиц, но существенно леrче. А почти все осталь..
ные «обычные» элементарные частицы по массе не
слитном сильно отличаются друr от друrа и имеют
массу порядка 1 rэв. Электрон явно резко выделяется
в меньшую сторону на ЭТОl\f фоне. Следуя И. л. Розен--
талю, ноторый является активным исследователем этих
вопросов, приведем rрафик (см. рис. 33), изображающий
ноличество элементарных частиц, обладающих массами
в определенном интервале. Подавляющее больп.i'инство
частиц имеет массу, неснолько большую массы протона.
На рисунке явно видно, нак резко выпадает масса элек..
трона из ряда друrих частиц. Она выrлядит нак екая
большая флуктуация. И заметьте, что это выпадение,
эта малостЬ необходима для выполнения неравенства
(31.2)! Если бы l\1aCCa электрона лежала правее штри
O и. д. НОВИI<ОВ
=f
:s::
.....
100
:т
о
5 50
s:
:т
10 102 т/т р
/103:
Электрон
Рис. 33. Распределение количе
ства элементарных частиц В за..
висимости от их массы. Положе...
ние элеRтрона УRазано звездоч
I\ОЙ. Правее ШТРИХОВQЙ линии
положение элеRтрона запреще-но
неравенством (31.2)
145

6
ховой линии на рис. 33, то (31.2) было бы нарушено
со всеми катастрофичесними последствиями.
Обратимся теперь н HepaeHCTBY (31.5). Оно требует,
чтобы разность dm масс нейтрона и протона была ДО--
статочно мала. Протон и неЙтрон  похожие частицыI,
отличающиеся лишь зарядам:и и небольшоЙ разностыо
масс. Тание семейства похожих частиц получили назна..
ние изотопических :мультиплетов. Если мы посмотрим на
список разности масс в
друrих подобных семей..
ствах стабильных относи..
тельно сильноrо взаи:мо"
действия частиц, то УВII"
дим, что т для протона
и неЙтрона за}Iетно мень--
ше их всех (C1tI. рпс. 34 [по
и. л. Розенталю]). Снопа
флуктуация! И опять за..
ы1тьте,, что как раз такая,
чтобы выполнялось вера...
вевство, необходимое д..1:Я
существования сложных
структур.
Все это выrлядит так,
нак будто природа специ..
ально «подrоняла» значения констант таIiИМИ, чтобы
моrли появиться сложные структуры во Вселенной и,
в частности, моrла появиться жизнь. При этом природе
«приходится» устраивать иноrда значительные ФJlунтуа...
ции от типичных значений констант, устраивать весьма
«тонную настройку» закопов физики.
Не следуют ли из этих фактов каниелибо идеалисти...
чесние или теолоrические выводы? Конечно, нет! Тоrда
как же можно их объяснить?
Прежде чем пытаться дать ответ, заметим, что суще..
ствует еще один тип «странностей» в сеrодвяmней Все..
ленной, которые отмечали физики r. raMOB, п. Дирак
и др. Введем некую безразмерную величину g == Ст 2 /пс,
rде т....... )IaCCa какой--пибудь элементарной частицы, G ........
rравитационная постоянная, п........ постоянная Планка, с........
скорость света в вакууме. Эта величина характеризует
малость rравитационноrо взаимодействия в мире элемен"
тарных частиц. Тан нан для протона gp  10З8, дЛЯ элект--
рона Кв  1045, возьмем усредненное значение g  1042.
Если поделить время ПрОХОil\дения свето}{ диа?Iетра про..
146
d т, Мэ8
8
2
А,
I
I ,
Р '
,
4
. \ ,
т lt 1:-- т /t(} тn--т р тE тlО ТnHrmH o
т к , ...тK т1o..т I + ml.=- т1.+ тJJ--тJJ'I
Рис. 34. Разность масс час..
тиц из одноrо изотопическоrо
мультиплета. Выше rоризоп--
тальной линии ПОЛОiкение т
(нейтрона и протона) запре..
щено неравенством (31.5)

тона 'Т р == п/т р с 2  1024 с на g, то получим ПрОIеЖУТОR
времени
1: == п/ (тpc2g1)  1018 с  30 · 109 лет.
( 31. 6 )'
Этот промежуток времени удивительно близок к возрасту
Вселенной t o  20 · 109 лет (см. раздел 11):
't  t o .
(31.7)
Что это  случайное совпадение или что--то важное?
Известный советский Rосм:олоr А. л. 3ельманов ска 48
вал по этому поводу так: «Мы являе:мся свидетелями даН48
пых событий ПОТОМУ что друrие события протекают без
свидетелей». Эти слова выра}кают суть TaI\ называемоrо
антропноrо принципа.
Что это за принцип и какое отношение имеет он к
рассматриваемым пр6блемам? Прежде Bcero заметим, что
сложные формы движения материи, например такие, как
сложные химичесние соединения, жизнь и тем более ра 48
вумная жизнь, моrли возникнуть во Вселенной только
на определенно:м: этапе ее развития, близком к нашей
эпохе. Действительно, сложная химия и жизнь, по краЙ 48
ней мере в известных нам фор:мах, требуют существова..
ния плнет зеl\iноrо типа, вероятно, с океана:ми, обоrре...
ваемыми достаточно близкой звездой, свечение которой
длительно не меняется. Для развития жизни, конечно,
нужна сложная химия и длительные блаrоприятные ус...
ловия в течение мноrих l\iиллиардов лет.
Таких условий завеДОl\10 не было в далеком проmЛО!vl
Вселенной, Rоrда не было ни звезд, ни планет. Не мо"
жет iИИЗНЬ начать зарождаться, ПОВИДИIО:МУ, и в да 48
леI\ОМ будущем, коrда звезды поrаснут, и тем более в
очень отдаленном будущем, ноrда распадутся тяжелые
частицы, превращаясь в свет и 'нейтрино (см. далее
раздел 34).
ТаRИМ образом, первый вывод: жизнь и раЗУl\Iная
жизнь Hamero типа MorYT возникнуть во Вселенной во
вполне определенный выделенный период........ в нашу эпо
ху, Rоrда есть для этоrо условия. Раньше, например, pa
зумной жизни Hamero типа во Вселенной заведомо быть
не моrло. Нратко можно сказать........ Вселенная может по...
рождать исследователей ее самой, порождать «наблюда 48
телей» или, нак сказал А. л. 3ельманов, порождать «сви
детелей» только в наПIУ эпоху. Это один из выводов ан..
 .... ,
троппоrо принципа, суть KOToporo состоит в том, что су...
10.
147

ществует взаимосвязь между свойствами Вселенной и
возможностью появления в ней разумной жизни.
Такой вывод, оназывается, объясняет странное сов...
падение, даваемое выражениями (31.6) и (31.7). Можно
по:казать, что промежутон вреени 1: по порядну величины
равен продолжительности жизни среДней' звезды. Значит,
выражение (31.7) rласит, что возраст Вселенной пример
но равен возрасту звезд. Но мы уже rоворили, зарожде
пие жизни во?можно тольно вблизи звезд. Поэтому ноrда
Вселенная станет rораздо старше звезд и звезды потух
пут, выражение (31.7) перестанет быть справедливыl'I,,
зарождение и развитие жизни бдут уже невозможны и
выжить cMorYT только очень развитые цивилизации.
С друrой стороны, невозможно, кан мы видели, зарОiI{
дение жизни, разума и в эпоху, заметно более раннюю,
ибо для этоrо необходимо появление звезд и длительное,
в течение миллиаРДО:JJ лет, их свечение для возможности
протенания сложной длительной эволюции. Отсюда сле
дует, что для появления нас с вами, читатель, должно
выполняться равенство (31.7), которое на первый взrляд
I\азалось заrадочным.
Друrой вывод итропноrо принципа состоит в том,
что наблюдатели «<свидетели») MorYT появиться .толь:ко
при определенном наборе физичесних констант, при оп
ределенных физических законах, о чем мы rоворили BЫ
ше. Если и были (или может быть есть?) друrие вселен
вые с иными законами, то они существуют без сложных
струнтур (без «свидетелей»), в них никоrда не появляет
ся жизни. Таним образом, наша Вселенная таная, наноЙ
мы ее видим, именно потому, что мы в ней есть.
Ну и, наконец, еще одна «странность» нашеrо мира:
физическое пространство почемуто трехмерно. Не ДBY
мерно, не пятимерно, а именно трехмерно! То что здесь
кроется нанаято заrадна, физики осознали достаточно
давно. Еще Э. Мах прямо и не двусмысленно ставил воп
рос: «Почему пространство трехмерно?». И здесь, чтобы
попытаться осознать эту проблему, давайте постараемся
представить, что было бы, если бы пространство имело
размерность, отличную от трех.
Разумеется, мы имеем возможность рассмотреть лишь
некоторые изменения в простейших физических взаимо
действиях, ното:рые произойдут при изменении размерно
сти пространства.
Простейщими видами таних взаимодействий являются
никон Кулона для поноящихся. зарядов и занон Ньютона
148

для тяrотеющих масс. В обоих случаях сила взаимодей
ствия ослабевает обратно пропорционально квадрату pac
стояния: F I">J 1/r Однако еще И. Кант понял, что закон
обратных квадратов есть следствие трехмерности нашеrо
пространства. В самом деле, почему сила, напри:м:ер, элек
тростатическоrо взаимодействия рслабевает с расстояни
ем? Наиболее наrлядный ответ заключается в том, что с
ростом r силовые линии поля распределяются по все боль
шей поверхности сферы, охватывающей заряд и имеlощей
радиус r. Площадь сферы растет как r 2 , значит, плотность
силовых линий, пронизывающих эту сферу, уменьшается
I">J 1/r 2 , что и определяет закон изменения силы. Но ска..
занное справедливо только в трехмерном пространстве.
Если пространство четырехмерно, то площадь «сферы»
j(rеометрическоrо места точек равноудаленных от центра)
пропорциональна r З , а для пространства N измерений
эта площадь пропорциональна rv1. Отсюда и закон из..
менения электростатической и rравитационной силы в N..
мерном пространстве:
1
F,.....". Nl .
r
( 31.8)
Почему, так важно изменение закона падения силы в
пространстве размерности N? Дело заключается в следую
щем. Рассмотрим движение пробноrо заряда по круrовой
орбите BOKpyr центральноrо заряженноrо тела (с зарядом
противоположноrо знака, чтобы было притяжение) в про...
странстве любой размерности N. Пусть задан момент KO
личества движения заряда (он не может меняться при
движении). Тоrда центробежные силы будут пропорцио..
нальны I">J 1/r\ и не зависят от N. Из механики известно,
что для существования устойчивых круrовых орбит необ....
ходимо, чтобы центробежные силы уменьmались с рас...
стоянием быстрее, чем F. Иначе движение по Kpyry будет
неустойчивым и малейшее возмущение приведет либо к
падению заряда к центру, либо к тому, что заряд улетит
в бесконечность. А отсутствие устойчивых круrовых op
бит означает отсутствие вообще «связанных», как rоворят,
состояний, коrда заряд движется в оrраниченной облас.ти
пространства BOKpyr центральноrо тела. Отсюда следует,
что для существования связанных состояниЙ необходи:м:о
N 3.
(31.9)
Вот такой неожиданный вывод. На первый взrJIЯД Ka
iIiется, что увеличение размерности пространства OTHpЫ
149

nает новые возможности для усложнения движения в нем
тел, а значит, и для существования более СЛОiI\НЫХ обра
зований. На деле же оназывается, ЧТО в таких простран...
ствах нет связанных устоЙчивых систем тел, взаим:одей...
СТВУIОЩИХ электричесн:ими и rравитационными сила:ми,
Т. е. в них не может быть ни атомов, ни планетных сп..
стем, ни rалаRТИR!
С друrой стороны, если N == 2 или 1, то в таких про
странствах взаимодеЙСТВУlощие заряды противоположных
знаков никоrда не ltlоrли бы улететь на сколь уrодно
большие расстояния. Здесь силы падают с расстоянием
СЛИШНОМ медленно и какую бы на чаJ1ЬНУЮ скорость ни
дать заряду, центральное тело своей СИJ10Й ПРИТЯ1Кения
остановит улетающиЙ заряд и заставит ero двиrаться к
себе. В таких пространствах не существовало бы свобод--
Horo движения тяrотеющих тел.
И только в трехмерном пространстве возможны и свя--
ванные, и свободные состояния.
Теперь читатель, наверное, не очень удивится утверж...
деНIIIО о то:м:, что если бы природе прnшлось MHoro раз
пробовать «создавать» вселенные с раdНЫМИ разм:ерно--
СТЯ}IИ пространства, то только при N == 3 возникали бы
воз:м:ожности для существования связанных систем и СВО" ,
бодных тел, связанных и свободных состояний движе..
пия электрона в атом:ах, т. е. для ВОRпикновения очень
сложных структур, жизни. А значит, и:меНilО в таких про..
странствах (и вероятно, только в иих!) MorYT существо...
вать «свидетели». Поэтому иечеrо удивляться, что мы
живем имецно в TpeXMepHO! пространстве.
3н, ачит для Toro чтобы ПОЛУЧIIТЬ решение перечислеп..
Hыx выше в этом разделе пробле}.tr, осталось «только»
выяснить возможность Toro, что природа действительно
«пыталась создавать» Аfноrочисленные вселенные или да..
же бесконечное их число с разной фИЗИl\ОЙ, возможно,
С большими иноrда флуктуаЦИЯМlI числовоrо значения
констант,  с разной размерностью пространства и Т. д.
1.'оrда бы стало понятно, что }IЫ  наблюдатеJfИ, иесле...
дователи появились ТОJIЬКО в редчайшей «наиболее удач...
ной» (для нашеrо существовании) из таких вселенных.
Поми:м:о уже названных в этом разделе ученых, пере
ведших рассматриваемые проблеl\IЫ из {(абсrрактноrо фи.
лософствования» в разряд космолоrических задач, ОТ)lетим
еще работы физиков и астрономов: }1. Б. Зельдовича,
д. Барроу, Р. Дикке, Б. Картера, М. Риса, Дж. Уилера,
С. Хоукинrа, r. м. Идлиса, Б. Карра, и. с. ШКловскоru.
150

32. ВЕЧНО ЮНАЯ ВСЕЛЕННАЯ
в 1986 r. советский физик А. д. Линде
предложил совершенно новый подход к объяснению воп"
росов, перечисленных в предыдущих разделах. Эти воп"
росы сводятся к следующим ДBY большим проблемам.
Первая  это проблема синrулярноrо состояния, и выяс
пения в связи с этим вопроса о начале эволюции Все....
ленной  об истоках реки времени. Вторая........ это ВОПРОG
О том, является ли Вселенная, в которой мы живем, един-
ствеtIной, или в KaKOM'TO смысле существуют MHoro (или
даже бесконечно MHoro) разных вселенных, и тоrда раз....
решается проблема антропноrо принципа, рассмотренно-,
1'0 в предыдущем разделе.
Суть HOBoro подхода состоит в слеДУIощем. А. д. лин....
де и А. А. Старобинекий обратили внимание на опреде....
ляющую роль квантовых флуктуаций, которые должны
существовать при очень больших плотностях, близких R
планковской плотности Рп  1094 r/см З . Математическая
теория была разработана А. А. Старобинским. При столь
больших плотностях доминировала плотность вакуумно....
подобноrо состояния, вызывающеrо инфляцию (см. раз
дел 27). Выделим в этом сверхплотном веществе, которое
имеет плотность РВ, близкую к Рп, но несколь:ко меньше
ее, крошечную область с размером примерно равным при
'Чинносвязанной области r max (см. с. 120). Проследим эпо.
люцию этой области с течением времени.
Область будет раздуваться. Рассмотрим раздувание
этой области за время, коrда все расстояния увеличива..
ются примерно вдвое, а объеl\1 в 23 === 8 раз. Это время по
порядку величины есть 't === rmax/C. Мы rоворили в разде 4
ле 27, что максимал ьный р азм:ер причинносвязанной об..
ласти есть r max === с/1'8лGрв. Если мы взяли первоначаль
но область размером порядка r max и объемом V == raXJ1
то по прошествии времени 't линейные размеры стану"
r 1 == 2r тах, а V 1  (2r тах)3 === 8rax == 8У. Этот увеличиваю
щийся объем будет состоять из 8 областей с линейными
размераl\IИ r max каждая. Внутри :каждой из них возможны
причинные связи между явлениями, но друr с друrом они
уже не MorYT взаимодействовать, так как стремительно
удаляются друr от друrа (см. :конец раздела 27). Поэтому
:каждая из этих областей эволюционирует в дальнейшем
независимо от соседних, представляя по существу отдель....
вую «подвселенную», или иначе «минивселенную».
151

Можно сназать, что по прошествии времени т наш
первоначальный объем породил 8 минивселенных «пер
Boro поколения». В дальнейшем процесс повторится и че...
рез время 't каждая из минивселенных породит новые
м:инивселенные, ноторые составят «второе поколение»
и т. д. Конечно, пока название «отдельные минивселен",
ные» чисто условно и отражает тольно факт невозмож",
ности в будущем обмена информацией между ними. И хо--
тя наждая из них развивается дальше без влияния сосе..
11
Рис. 35. "Условное изображение эволюции областей с линейными
размерами rmax в раздувающейся Вселенной. Каждый кружок
изображает минивселенную. КаiКДЫЙ ряд кружков изображае".f
последующие поколения минивселенных. В каждом поколении
минивселенные условно «выстроены» в один ряд; в действитеJIЬ
ности они должны занимать объем пространства. Изза этой yc
ловности число минивселенныx в каждом поколении на схеме
изображено увеличивающимся вдвое, а не в 8 раз, как это
должно быть на самом деле
док, но изза Toro, что начальные условия в них одина
ковы, они и развиваться будут одинаково, составляя по
существу единую раздувающуюся Вселенную (см.
рис. 35).
в разделе 27 мы подчеркивали, что при раздувании
в первом приближении плотность вакуумноподобноrо со..
стояния РВ не меняется. Но это тольно В первом прибли...
жении. В действительности эта плотность хоть и медлен
но по сравнению с темпом раздувания, но все же YMeHЬ
mается (вспомним скатывание шарика по склону в ОД"
ной из моделей TaKoro состояния, описанной вразде..
152

не 26). Поэтому с течением времени несколько ослабева...
ет и темп раздувания .< он определяется РВ)' как показано
на рис. 36.
Пока все довольно просто. Но давайте теперь поста...
раемся учесть квантовые флуктуадии при большой плот..
ности В наших минивселенных. Они хаотичны, а их ам...
плитуда зависит от самой плотности РВ. Чем больше плоТ....
ность, тем больше амплитуда квантовых флуктуаций БРВt
БОЗНИRающих за время Т. Размеры же областей, охвачен...
ных каждой флуктуацией, как поназывает расчет, вак
раз порядна r max .
11
Рис. 36. Схематическое изображение систематическоrо падения
плотности рв от поколения к поколению минивселенных (пока--
зано уменьшением плотности штриховки кружков). Уменьшение
Рв ведет к замедлению темпа раздувания последующих поколе...
ПИЙ (показано уменьшением размера кружковминивселенных).
Суммарный объем всех минивселенных продолжает стремительно
нарастать от поколения к поколению
Теперь у нас имеются две причины, вызывающие из
менение Рв в минивселенных: 1) это систематическое
уменьшение Рв изза раздувания (обозначим это YMeHЬ
mение за ремя l' через L\PB); 2) хаотические квантовые
флуктуации брв.
Оказывается, судьбы минивселенных кардинально за
висят от соотношения между L\PB и брв. Предположим
сначала, что Рв хоть И велина, но заметно :меньше Рп
И квантовые фЛУRтуации брв очень малы, IHoro меньше,
Че:м L\PB. Тоrда квантовыми флуктуация:м:и можно пр ене..
153

бречь и }Iипивселенные будут раздуваться все одинаково,
как это только что описывали. Плотность РВ В них везде
потихоньку будет систематичесни Уl\lеньmаться на L\PB за
время т.
l'lпое дело, если плотность достаточно близка к план
ковской Рп так, что квантовые флуктуации по амплитуде
I брв I MHoro больше уменьшения плотности Арв вследствие
расширения, и последней можно пренебречь. Пусть это
имеет место, Rоrда Рв больше HeKoToporo значения Рl.
Возникающие за время 't ФЛУRтуации бр\в хаотичны. В по--
ловине минивсеенных они будут ПОЛОi-кителъны, в дpy
rой половине  отрицательны. Таким образом, в полови..
не объема V i == 8V всех минивселенных первоrо поколе..
вия плотность р. возрастает, а в половине ум:еньшится.
Вот теперьто мы можем увидеть действительную раз...
вицу :м:ежду разными минивселенными одноrо и Toro ще
поколения. Ведь в них теперь разные Рв, т. е. разные ус...
JIОВИЯ. Все минивселенные будут раздуваться, но те,
в которых Рв больше, раздуваются быстрее и объем, при...
11
Рис. 37. Схема эволюции поколений :минивселенных, коrда I{вап
товые флуктуации брв являются определяющими
ходящийся в дальнейшем на них, будет больше, ЧС1f на
те минивселенные, rде Рв уменьшится. За следующиЙ
промеЖУТОR времени 't возникновение новых l\fинивселен"
ных с флуктуациями Рв в них повторится и т. Д. (см:.
рис. 37). ТаRИМ образом, ДОЛЯ физическоrо объема с уве"
личивающейся плотностью рв В ходе раздувания будеТ
154

.возрастать по сравнению с долей объема с у:меньmаIО--
щейся Рв'
PaII'O или поздно эволюция нашей исходной мини..
вселенной с первоначальной плотностью, заметно мень..
шей, чем Рп, приведет к тому, ЧТО в некоторых из мини..
вселенныхпотомках плотность достиrнет план!\овской РII.
Что будет потом? Дальнейшее увеличение плотности не..
БОЗl\IОЖНО, та!\ !\ак планковская плотность максимально
возм:ожная, и здесь пространствовремя, т. е. наши мини..
вселенные, распадается на кванты, образуя «простран...
ственновременную пену». Из этой флу!\туирующей пены
возникают новые ми:нивселенные  пузыри с плотностью,
близкой к планковской. Часть их тут же ВОЗВF>ащается
в пенообразное состояние. Но в друrой части изза слу...
чайных флу!\туаций плотность рв уменьшается в после..
дующих поколениях. Тоrда с каждой из таRИХ минивсе...
ленных будет повторяться то, что :мы описали выше: она
будет порождать новые поколения, от !\оторых будут yx
. u
дить цепоч!\и минивселенных и с увеличивающеися Рв,
но также и цеПОЧRИ :минивселенных с уменьшаю..
щейся Рв.
Еще раз подчеркнем, что быстрее всех раздуваются
минивселенные с наибольшей Рв, поэтому большая часть
физичес!\оrо объема будет приходиться на минивселен"
ные именно с Рв  Рп (см. рис. 38). Только в очень, очень
вебольшой доле физичеСКОI'О объема в результате случай
но повторяющихся флуктуаций, ПрИБОДЯЩИХ к уменьше..
вию в среднем плотности Рв, эта уменьшающаяся плот--
ность в конце !\онцов достиrнет пороrовоrо значения Рl,
при котором флуктуации уже не столь велики и систе--
матическое уменьшение плотности L\PB изза раздувания
больше амплитуды флуктуаций 16PBI. Величина Р1 может
быть в l\IИЛЛИОП раз меньше планковской плотности, Т. е.
1088 r/см З , но все же она orpoMHa.
Теперь в том объеме, rде Рв < Рl, уже флуктуаЦИЯ},fИ
брв можно пренебречь по сравнению с PB' и Рв будет
хоть и медленно, но систематически уменьшаться незави
СИ10 от случайностей. Дальнейшая судьба этоrо раздува--
юп,еrося объема будет протекать так, !\ак описано в раз
деле 27. Объем: неверОЯl'НО раздуется, потом превратится
в rорячую Вселенную Фридмана. В оБIцем произойдет все
то, что мы уже описывали, имея в виду «нашу» Вселен..
вую. Но надо помнить, что это произойдет отнюдь не во
всеЙ Вселенной, а в ИСRлючительной области, rде вслед--
ствие повторяющихся случайностей возникло РВ < Рl.
155

В целом картина эволюции и структуры Вселенной,
нарисованная Линде, может быть весьма схематичесни и
условно представлена тан, как показано на рис. 39.
Каждый шарин условно представляет раздувающуюся
мппивселенную. В подавляющей части физическоrо про..
странства плотность РВ  Рп  109 r/см З . Каждая такая
кяпивселенная С Р*  Рп порождает новые с подобной же
11
Рис. 38. Схема эволюции поколений минивселенных начиная с
минивселенной с плотностью рв порядка планковской рп (ТО--
чечные круrи  минивселепные с РВ  рп)
плотностью. Их число невероятно быстро множится. При
рождении новых минивселенных в них флуктуирует не
только РВ, НО И все физические параметры, возможно
даже константы и раЗМБРНОСТЬ пространствавремени.
Соrласно этой картине Вселенная вечно воспроизводит
сама себя в Биде минивселенных с начальной плот..
постью, близкой к Рп, И С саМЫIИ разными наборами фи
зичесних законов и условий. Время от времени инфля--
ция приводит К падению РВ ниже Р1 и возникновению ro....
рячей Вселенной Фридмана. Если в эtои ВселеНIiОЙ фи
зические параметры таковы, что MorYT возникнуть слож...
ные структуры, как об этом rоворилось в предыдущем
разделе (а это в CBOIO очередь, вероятно, большая peд
кость!), то в такой минивселенной возможно появление
жизни. И если все это так, то в одной из таких редчаЙ--
тих минивселенных живем мы. (Вот СI{ОЛЬКО «если» 1)
156

Из нарисованной выше картины следует, что у Все--
ленной в целом нет начала во времени и нет конца. На
рис. 39 картина может быть продолжена неоrрани:ченно
в прошлое (вниз' на рис!' 39)' И в будущее (вверх на
рис. 39). Не правда ли  более чем странная картина,
более чем странная Вселенная! Она весьма веоднородна
в большом. Действительно, одни минивселенные с or..
ромной плотостью материи, друrие с малой, в HeK01;O
рых из них одни физичесние заноны, в друrих......... друrие.
Рис. 39. Схема эволюции вечно воспроизводящей себя Вселенной
Кроме Toro, Вселенная в целом вечно юная', сама себя
воспроизводящая из «вануумной пены» и поэтому He
стареющая. Подав'ляющая часть объема ее всеrда нахо...
дится в состоянии сверхплотноrо «кипящеrо» вануума.
И из этоrо состояния изредка отпочковываются «пузы
ри», которые раавиваютя в систеl\IЫ, подобные «нашей»
Вселенной. Таково, ВОЗМОiI\НО, воплощение идеи антроп
Horo принципа, треБУlощеrо, чтобы природа «пытаась
создавать» множество вселенных с самы:м:и разными
свойствами. В этой модели взрыв Вселенной происходит
вечно. Вечно продолжается фейерверк рождения HO
вых миров. Образующиеся вновь мипивсе.тrепные"" раз
. 157

Ауваясь, быстро теряют воа?vIОЖНОСТЬ обмена сиrнала..
ИИ друr с друrОI, развиваясь по существу изолиро..
вавно и независим:о. Изза Флунтуирующих начальных
условий история каждой из них не похожа на исто
рию друrоЙ.
Будущее ПОI{ажет, наснолы\o реальна описанная rипо
теза. Рассматриваемое научное направление восходит I{
пионеРСRИМ работам п. И. Фомина и Е. Триона. За ними
последовали работы Я. Б. Зельдовича, И. М. Халатнино..
па, В. А. Белинсноrо, л. п. rрищуна, В. Н. Лукаша и др.
33. СОЗДАНИЕ ВСЕЛЕННОИ В ЛАБОРАТОРИИ
«Ну это уж слишном!}) может возмутить..
ея читатель. Конечно, в лаборатории 1\10делируются 1\1 Н о..
rие необычные процессы, в том числе и НОС?tfические.
Так, в лаборатории промоделированы низкие тем:перату"
ры и IIизное давление rаза в. межпланетном простран
стве, промоделированы электромаrнитные процессы в ус..
повиях Солнца и даже термоядерные реанции, протекаю..
щие в недрах звезд. Но создание новой Вселенной?! Прав..
да, может быть, автор имел в виду не действительное
создание «новой Вселенной», подобной нашей, а :ка:кую--то
аналоrию, накуюто очень сильно упрощенную и очень
уменьшенную модель? Ведь, коrда :моделируют, напри..
мер, процессы в недрах звезд, их воссоздают совсем не в
тех масштабах, в которых они осуществляются в самих
8вездах.
Нет, дороrой читатель, отвечает автор, речь идет о про..
блеме создания именно новой Вселенной в лаборатории,
Вселенной подобноЙ нашеЙ и по масштабам:, и по слож..
ности процессов в ней происходящих. Конечно, пока
речь идет о рассмотрении тольно чисто теоретичеRИХ ас..
пектов проблемы, о принципиальной возможности обсуж..
дать эту поистине ФантастичеСКУIО процедуру. Но и это,
соrласитесь, удивительно. Тут возпинает множество BO
просов. Вопервых, :как в принципе надо понимать созда..
иие Вселенной? BOBTOpЫX, если УЛ это окажется воз..
можным, то что будет при ЭТОМ с нашей Вселенной? По
пробуем: разобраться в этих проблемах.
В разделе 27 ыIы отм:ечали, что «наша Вселенная)}, ве..
роятно, раздулась из первоначально совершенно кроmеч
БЫХ размеров r max == 10З3 СМ. Плотность материи Пр!1
этом была Рп == 109' r/см З , а сумм:арная масса материи
18

внутри нроmечноrо начальпоrо объема составляла всо.
ro лиmь
т  rax. РП  105r.
(33.1)
и ИВ этой ничтожной массы и ничтожных начальных раз..
:меров развилась вся оrромная Вселенная, с множество.
:миров, rиrантски превыmающая по размеру область, изу..
ченную современной астрономией I Rрошечность началь-
ных масштабов Вселенной и порождает мысль о возмок"
вости повторить этот процесс в лаборатории. В таКОJl
виде за "'.ча была поставлена американскими физиками
э. Фархи и А. rYCOM.
с принципиальной точки зрения вадача выrлядит па
первый взrляд весьма иросто. Надо взять небольшую Macr
u ч
су, сжать ее до плотностеи порядка планковскои плотно--
сти, коrда возникнет вакуумноподобное состояние. После
8Toro начнется стремительное раздувание и, пожалуй..
ста'....... возникнет новая Вселенная. Конечно, пока это чи(}е
тые арифметические упражнения Ва листе бумаrи, таIl
как сжать вещество до плотности 109' r/см З совершенио
немыслимо. Но, повторяем, с теоретичеСRОЙ точки зрения
'Все, казалось бы, выrлядит просто.
На самом деле проблема совсем не так проста, и ВОТ
почему. При создании пузырька вакуумноподобноrо СО--
стояния, в нем, нак мы знаем, возникают оrромные ВНУТ"
ренние натяжения (отрицательное давление). Такие па..
тяжения стремятся сжать rраницу пузырька в точну.
Этому же способствуют и силы поверхностноrо натяmе...
нил поrраничноrо слоя, отделяющеrо внутренность пу..
. .-
зырька от внешнеrо «истинноrо вакуума» namero про....
странства. В результате, хотя внутри пузырька' и начива
ется раздувание, ero rраница стремится быстро стянуть
ся В точку и никакой раздувающейся новой Вселенной
не получается. Соrласно выводам э. Фархи и А. ryca
только специфические условия в синrулярном начальном
состоянии нашей Вселенной моrли привести к тому, что
rраницы крошечных пузырьков не стяrиваются в точну,
а тоже расширяются, порождая новые Вселенные. Если
же начинать процесс не с синrулярноrо состояния, а с
какихто операций в нашем мире, то задача создания
«новой Вселенной», соrласно выводам американских фи
эиков, обречена на неудачу.
Однако по мнению автора этой книrи, дело не обстоит
столь безнадежно и в принципе можно избежать сжатия
159

поверхности пузырька в точку. Для этоrо необходимо дo
бавить на rраницу пузырька небольшой электрический
заряд. Чем же может помочь этот заряд? Дело в том, что
при сильном сжатии заряженной сферы помимо сил элен
трическоrо отталкивания между одноименными зарядами
возни:кают совершенно специфические силы rравитацион
Horo отталкивания, природа которых связана именно
с наличием электрическоrо заряда. Вот этито силы OT
талкивания, действующие на заряженную поверхность
пузырька, и MorYT помешать поверхности сжаться в точку.
В целом картина создания «новай Вселенной» может
выrлядеть следующим образом. Предположим, что мы
сжимаем обычное сферич-еской формы вещество до разме
ров так называемоrо rравитационноrо радиуса, коrда воз
никает черная дыра, и электричесни заря-жаем ero по--
верхность. Далее мощные СИЛI собственной rравитации
вещества продолжают ero стремительно сжимать, возни--
:кает черная дыра. В быстроуплотняющемся веществе B03
никает в конце RОНЦОВ вакуумноподобное состояние. При
сильном сжатии заряженная поверхность вещества под
действием специфических rравитациопных сил внутри за..
ряженной черной дыры меняет сжатие на расширение.
В этом отношении внутренность заряженной точно сфе
рической черной дыры резко отличается от незаряжен
ной. Начинается раздувание и внутренности пузырька,
и ero заряженной rраницы. Это и есть начало раздувания
«новой Вселенной».
Но тут надо подчеркнуть удивительную своеобраз
ность этоrо раздувания, связанную с сильнейшим искрив
лением пространства и времени внутри черной дыры. Де--
ло в том, что это раздувание происходит не наружу
к внешнему нблюдателю! «Разбухает» пространство
внутри черной дыры. Наrлядно можно представить, что
внутренность черной дыры раздурается пузырем в «дру--
roe пространство». С точки зрения внешнеrо наблюдате
ля,. поро:ившеrо весь этот удивительный процесс, ничеrо
примечательноrо в еео Вседенпой не происходит. Создан--
ная им черная дыра так и остается черной дырой.
В этом отношении нет никакой разницы м:еЖду заря--
женной инезаряженной черн<tй дырой. Наблюдатель па..
же ничеrо не узнает о раздувании внутри ее, если будет
оставаться все время вне черной дыры, ибо из черной ды--
ры не выходят никакие сиrналы. Все раздувание, повто..
ряем, происходит внутри черной дыры в «друrое про--
странство.». Это обстоятельство показывает, что при соз
160

дании «новой Вселенной» ничеrо страшноrо с «нашей
Вселенной» не происходит. Но создатели «новой ВселеII
вой» MorYT в принципе посылать в нее сиrналы, направ
ляя их внутрь заряженной черной дыры. Правда, эти сиr
наJIЫ будут попадать в «новую Вселенную» лишь очень
.ROpOTKOe время по «ее часам», которые идут совсем
не так, как часы снаружи черной дыры.
Однако остановимся здесь в нашем рассказе, кажу
щемся фантастическим. Подчеркнем следующее: сказан
ное  не фантастика. Это те проблемы, над ноторы:ми pa
ботают ученые. Пока речь идет о суrубо теоретических
вариантах. MHoroe здеGЬ еще неизвестно. Неизвестно, yc
тойчив ли описанный процесс образования «новоЙ Bce
ленноЙ». Теоретики знают, что внутри заряженной
сферической черной дыры должны развиваться неустой
чивости. Может оказаться, что расс:матриваемый процес
в принципе неустойчив, и тоrда создание новой Вселен
ноЙ таким путем невозможно. Тем не менее, мы хотели
поделиться с читателем этими соображениями с передне
ro края науки, надеясь, что сказанное дает еще один при...
мер тех необыкновенных rлубин в познании природы, до
которых дошла человеческая мысль.
34. КОНЕЦ Большоrо ВЗРЫВА
Эта книrа посвящена в основном далекому
прошлому нашеrо мира  взрыву Вселенной. Но мы изу
чаем прошлое, чтобы понять настоящее и будущее. Этот
тезис научноrо познания относится не только к истории
человечества, но и к истории всей Вселенной. Действи
тельно, как бы ни удивительны были процессы в проm..
лом Вседенной, будущее представляется еще более ин
тересным. Будущее мира несомненно важно еще Ц пото
му, что отдаленное будущее человечества, будущее
разума зависит от будущеrо природы, и это не может
не волновать нас. Вот почему в конце нниrи мы обра
щаемся к будущему «нашей Вселенной» и расскажем;
о том, чем же закончится, по представлениям COBpeMeH
ной науки, Большой взрыв.
Анализ будущеrо Вселенной принципиально отлича
ется от изучения прошлоrо. Прошлое уже было, оно oc
тавило свои следы, и, изучая эти следы, мы проверяем
правильность наших знаний о нем. Будущее только бу..
дет. Ero изучение всеrда является экстраполяцией. Пря
11 и. д. Новинов 161

мая проnерка здесь невозможна *). Если в будущем воз..
никнут такие условия, при которых CMorYT проявиться
еще неизвестные нам законы, тоrда научные предсназа..
вил, возможно, окажутся неточными, а для отдаленноrо
6удущеrЬ и просто неверными. Тем не менее фундамент
современных физических и астрофизических знаний па...
столько прочен, что позволяет с достаточной уверенностью
рассматривать отдаленное будущее Вселенной. В послед...
нее время появляется все больше серьезных работ, по-
священных этой проблем:е (правда, таких работ rораздо
1Уlеньше, чем работ, посвященных проmЛО1-1У). Выводы
этих работ настолько важны, что несм:отря на сделанные
оrоворки, они заслуживают caMoro серьезноrо ВНИ!\lания.
Мы попытаемся в рамках современных научных пред
ставлен ий , о физичесной картине мира, проследить за со...
бытиямп, которые произойдут во все более отдаленном
будущем нашей Вселенной.
Прежде Bcero, конечно, возникает вопрос: неоrрави",
ченво ли будет продолжаться расширение Вселенной.
Ответ на Hero, нан мы знаем (см. раздел 7), в принципе
прост: если плотность материи во Вселенной достаточно
велика, то тяrотение этой материи остановит расширение
и с:менит ero сжатиеl\1. Если плотность мала........ тяrотение
недостаточно, чтобы остановить расширение. Астрофизи",
чеСRие наблюдения показывают, что средняя плотность
видимой материи вз Вселенной примерно в 30 раз мень...
те нритическоrо значения, отделяющеrо один случай от
друrоrо (это критическое значение плотности около
1029 r/см З ). Но, воз:м:ожно, во Вселенной есть трудно об
наружимые виды материи, «скрытая масса» (см. раздел
9). rIоrда плотность может оказаться выше критической.
ПреДПОЛОiКИМ сначала первый вариант  Вселенная
пеоrраниченно расширяется. Кание же процессы произой...
дут в. неоrраниченно расmиряющейся Вселенной? Кан
они связаны с прошлым и настоящим?
«Эволюцию мира можно сравнить со зрелищем фейер...
верка, который мы застали в момент, Rоrда он уже кои...
чается: несколько красных уrольнов, пепел и дым. Стоя
на остывшем пепле, мы видим медленно уrасающие солн...
ца и попытаеА-IСЯ воскресить исчезнувшее великолепие
*) Иноrда серьезно рассматривается возможность получения
некоторой информации из будущеrо (влияние будущеfО на прош..
лое). Мы здесь не станем рассматривать эту проблему. Если это
действительно окажется возможным, то в конце фразы, к которой
сделана сноска, следует добавить слово «пока>}.
162.

вачала !\fИРОВ». Эти слова принадлежат одному из созда--
телей современной Rосмолоrии бельrИЙСRОМУ астроному
ж. Леl\tlетру. Да, м:ы знаем, что звезды в будущем поrас--
вут. Запасы ядерноrо rорючеrо  ИСТОЧНИRа энерrии лю
бой звезды, оrраничены. Солнце заRОНЧИТ свою аRТИВНУЮ
ВВОЛЮЦИIО через несколько }lиллиардов лет и превратит
ся в белый карлин размером с ЗеМЛIО, ноторый будет по
степенно остывать. Звезды ,массивнее Солнца живут еще
меньше. В зависимости от IIX массы они в Rонце концов
превращаются либо в нейтронные звезды с попереЧНИRОМ
Bcero в десятки Rилометров, либо в черные дыры. Нако--
нец, возможен катастрофический взрыв в Rонце жизни
звезды. Это так называе:м:ая вспыш:ка сверхновой звезды.
Звезды менее массивные, чем Солнце, живут дольше,
во и: они рано или поздно превращаются в остывшие
карлики. В наше время происходят процессы ВОЗНИRнове
ния звезд из мел\звездной среды. Но этот процесс таRже
оrраничен во времени. В будущем все запасы ядерной
энерrии :материи, из ноторой MorYT образоваться звезды,
будут исчерпаны. Новые звезды не будут рождаться,
а старые превратятся в холодные тела или черные дыры.
Эта эпоха наступит не скоро, но все же этап эволюции
Вселенной, коrда rорят звезды, и поэтому сам этап мож
но назвать звездным «(звездный час Вселенной»), заRОН
чится через 1 01 лет.
Обратимся теперь к судьбам звездных систем  rалан--
тик. Они состоят из сотен миллиардов звезд. В центрах
их, в их ядрах, вероятно, находятся сверхмассивные чер
вые дыры. Каково будущее rалаRТИR? д.ля их эволюции
существенны очень редкие сеrодня события, Rоrда RаRая--
либо звезда в своем движении в результате rравитацион--
Boro взаимодействия с друrими звездами rалаRТ:ИНИ при
обретает большую снорость. ТаRая звезда покидает rалак--
тину. В результате подобных процессов звезды постепен--
но будут уходить из rалаRТИНИ, а ее центральная часть
будет понемноrу сжиматься. Массы вблизи центра будут
падать в черную дыру. В Rонце RОНЦОВ на месте бывшей
rалактики останется одна сверхмассивная черная дыра,
поrлотившая остатни звезд центральной части rалактини,
а 900/0 всех звезд рассеется в пространстве. Этот процесс
разрушения rалаRТИК закончится примеРIJО через 1019 лет.
Разумеется, все звезды к этому времени давно поrаснут.
Что будет дальше?
В разделе 21 было рассказано о ТОМ, ЧТО В будущем
все протоны и нейтроны распадутся. Такой процесс npед
11 * 163-

I\азывается современными теориями строения материи.
Время этоrо распада Тр больше или равно 1032 лет. Мы
примем эту цифру для дальнейших оценок Тр  1032 лет 
3 · 1039 с. Конечными продуктами распада протонов яв
JIЯЮТСЯ позитроны, фотоны, нейтрино, а танже электрон
позитронные пары.
Нейтроны, входящие вместе с протонами в состав
сложных ядер, танже подвержены распаду, подобно про...
тону. Кроме Toro, если в результате распада протона яд
ро разрушается, выделяя свободные нейтроны, то эти час
тицы за 15 минут распадутся, нак известно, на протоны,
электроны и антинейтрино. Итан, во Вселенной идет
очень медленный, но неунлонный процесс распада веще
ства, и через "'" 1032 лет все оно полностью распадается.
Но еще задолrо до этоrо срона распад вещества будет
иrрать важную роль во Вселенной. Позитроны, вознинаю
щие при распаде нуклонов, анниrилируют с электронами
вещества, превращаясь в фотоны, ноторые вместе с фото
вами, непосредственно возникающими при распаде нун...
лонов, наrревают вещество. Только нейтрино и антиней...
трино свободно понидают звезду и уносят около 300/0\
всей энерrи:и. Процесс распада будет поддерживать TeM
пературу умерших звезд и планет на уровне хотя и низ...
ном, но все же заметно отличном от абсолютноrо нуля.
Нетрудно рассчитать эту температуру. Посчитаем преж...
де Bcero, в каном темпе происходит выделение энерrии в
звезде массы М за счет распада нуклонов. В единицу Bpe
мени распадается масса M == М/Тр и выделяется энер
rия E == c2M. Около 300/0 этой энерrии уносится ней...
трино, на HarpeB звезды остается 700/0. Итак, на HarpeB
звезды в единицу времени выделяется энерrия
cM
EH == 0,7. (34.1)
Т р
С друrой стороны, с единицы площади звезды, наrретой
до температуры Т, излучается в еДИlIИЦУ вре:мени, соrлас
НО закону Стефана  Больцмана, энерrия Е == оТ"', rде
а == 5,7 · 105 эрr/ (см 2 · С · К"')....... постоянная Стефана 
Больцмана. Со всей поверхности звезды радиуса R иалу...
чается энерrия
Еизл  оТ'" · 4nR 2 .
( 34.2 )
Вся выделяемая в единицу времени эперrия излучает
ся с поверхности звезды. П риравпивал выра}I\ения (34.1)
и (34.2). и подставляя числовые значения I{OHCTaHT и па
164

ра:м:етров звезды (массы и радиуса), находим температу...
ру поверхности звезды. Так, для типичноrо белоrо кар...
лика с массой, примерно равной массе нашеrо Солнца
(М 0 == 2.1033 r), и с радиусом R == 10' км температура по.
верхности оназывается оноло 1 кельвина, внутри звезды
она несколько выше. Белые нарлики остывают естествеН....
ным путем от их нынешней довольно высокой темпера...
туры до температуры в 1 нельвин за 1017 лет и в даль...
нейшем сохраняют эту температуру изза выделения энер...
rии при распаде вещества внутри них.
Нейтронные звезды имеют радиус Bcero "'" 10 нм, пло--
щадь их поверхности заметно меньше, чем у беJIЫХ нар.
линов, и поэтому они хуже охлаждаются за счет излуче..-
ния с поверхности. Масса же их практически такая же,
нан у белых карлиноJ3. Оценна поверхностной температу...
ры тем же способом, что и для белых каRЛИКОВ, приводи'l
к значению 30 К. ДО этой температуры они остывают за
1019 лет. После этоrо вплоть до 1032 лет их температура
не изменится.
Итан, через Тр == 1032 лет все вещество полностью pa<r
падется, звезды и планеты превратятся в фотоны и ней....
трино.
Нескольно иная судьба у рассеянноrо в пространство
вещества  rаза, ноторый останется после разрушения ra...
лантин (по массе он может составить оноло 1 О/О Bcero ве...
щества). Вещество rаза тоже, разумеется, распадается че...
рез Тр лет. Однако в этом случае позитроны, вознинающие
при распаде, уже не будут анниrилировать с элентрона...
ми, так нак изза нрайней разреженности вещества веро....
ятность столнновения позитрона и электрона очень мала.
В результате образуется очень разреженная элентрон...
позитронная плазма.
Нанонец, напомним, что к этому времени, т. е. через
'{ р лет, в нашей Вселенной останутся еще черные дыры,
возникшие из массивных звезд, и сверхмассивные чеРl1ые
дыры, образовавшиеся в центрах rалантин. О судьбе чер..
ных дыр мы скажем позже.
Ч то же будет происходить во Вселенной после распа....
да вещества? В ту далекую эпоху во Вселенной будут
присутствовать фотоны, нейтрино, элентронпозитрон"
ная плазм:а и черные дыры. Основная часть массы будет
сосредоточена в фотонах и нейтрино.
С расширением Вселенной нартина изменится. При pac
ширении плотность массы излучения (фотонов и нейтри
но, которые мы считаем лишенным:и массы покоя) падает
165

пропорционально четвертой степени расстояния между
частица:ми, а средняя плотность материи в виде электрон--
позитронной плазмы и черных дыр  пропорциональ...
но кубу расстояния, т. е. медленнее, чем излучения. По--
ЭТОIУ через t == 10т р  1033 лет плотность материи уже
будет определяться, rлавным образом, массой, аанлючен"
ной в черных дырах, rде ее rораздо больше, чем в элек...
тронпозитронной плазме.
110 11 черные дыры не вечны! В поле тяrотения вбли...
зи черной дыры происходит рождение частиц. Около чер...
ных дыр с массой порядка звездной и больше рождаются,
rлавным образом, кванты излучения. Такой процесс ведет
к уменьшению массы черной дыры, постепенно перехо...
дящей в излучение  в фотоны, нейтрино и rравитоны.
Черные дыры «испаряются». Этот процесс чрезвычайно
медленный. Черная дыра с массой в 10 масс Солнца
 «испарится» за 1069 лет, а сверхмассивная черная дыра,
в десять миллиардов раз массивнее Солнца (такие чер
вые дыры есть, повидимому, в центрах больших rалак..
тик), испарится за 1096 лет. Все они превратятся в иалу..
чение (т. е. в частицы без массы покоя). Излучение сно"
ва станет ДОМИНИРУIОЩИМ по массе во Вселенной. OДHa
НО вследствие расширения Вселенной, плотность излуче..
ния, как уже rоворилось, падает быстрее, чем плотность
элентронпозитронной плазмы, и через 10100 лет эта
плазма станет доминирующей. Итак, через 10100 лет во
Вселенной не останется практически ничеrо, кроме элек..
тронпозитронной плазмы ничтожной плотности.
На первый взrляд, картина эволюции Вселенной в от---
даленном будущеl\{ выrлядит весьма пессимистически.
Это картина постепенноrо распада, деrрадации, рассел..
ния, в известном с:м:ысле напоминающая .картину тепло...
вой смерти.
Да будет таи,
Ведь есть всему начало,
и есть конец лоrической иrры...
И слово, что исток обозначало,
над бездною коrдато прозвучало,
из мрака вызвав звездные миры.
I{оrда же обесценится творенье,
и разум тот пресытится иrрой 
то распадутся призрачные звенья,
исчезнет Время, кончится Движенье...
И будет Свет
над вечной ПУС1'ОТОЙ.
Л/. Катыс
16б

}\оrда нашей Вселенной будет 10100 лет, в мире оста.
нутся практически только электроны и позитроны с уст...
рашающе ничтожной плотностью, рассеянные в простран....
стве. Одна частица будет приходиться на объем, равный
10185 объе:мам всей видимой сеrодня Вселенной (!) Оз.
начает ли это, что в будущем замрут все процессы, не бу..
дет происходить а:ктивных движений физических форм
материи, невозможно будет существование кан:ихлибо
систем, а тем более, разума в каной бы то ни было фор...
ме? Нет, такой вывод был БыI неверен!
Конечно, с нашей сеrодняшней точки зрения ВСС про....
цессы в будущем будут чрезвычайно за:м:едленны. Но это
с нашей точки зрения! Ведь и пространственные масшта--
бы тоrда будут несравненно rрандиознее современных.
Напомним:, что в самом начале расширения «нашей» Все--
ленной, коrда температуры были, например, 1027 К и про--
исходили процессы рождения вещества, текли бурные ре--
анции, продолжительность которых исчислялась 10З с,
а масштабы 102 см. С точки зрения тех процессов, cero--
дняшние события в «нашей» Вселенной, в том числе и на--
ша жизнь, это нечто невероятно протяженное в простран--
стве и очень медленное. Вселенная не считается с наши--
ми внусами. В будущем жизнь «нашей» Вселенной будет
продрлжаться, хотя и в весьма своеобразных формах.
Заметим, что идет оБСУiкдение не всей Вселенной, а лишь
Iнаблюдаемой части «нашей» Вселенной (см. раздел 32).
Во всей Вселенной в целом жизнь нашеrо типа, вероят--
но, всееда будет существовать, тан как всееда будут об--
ласти: «нашеrо» типа с р  1029 r/см З . Один из основных
выводов теории самовосстанавливающейсн Вселенной,
описанной в разделе 32, это то, что всееда будут суще--
ствовать экспоненциально большие области Вселенной,
способные поддерживать существование жизни на...
шеrо типа.
Однано давайте вспомним, что :м:ы пока рассмотрели
только вариант вечно расmиряющейся нашей Вселенной.
Возм:ожно, плотность вещества во Вселенной все же
больше нрптическоrо значения. Тоrда в будущем расши
реНIlе нашей Вселенной сменится сжатиеl\I. Такая сжима...
ющался Вселенная снова стапет rорячей и придет в кон--
це концов 1\ синrулярному состоянию :материи. Если это
и случится, то очень HeCI{OpO, не раньше десятков мил...
лиардов лет.
* * *
167

Рассмотрение будущеrо Вселенной и рассмотрение в
евязи с этим будущеrо разумной жизни не является здесь
вашей задачей. Об этом написаны друrие нниrи..
Эта же нниrа о рождении «нашей Вселенной». Еще
пару десятилетий назад мы прантичесни ничеrо не нали
о самом начале пашеrо мира. Сеrодня мы начинаем с YBe
ренностью разбираться в самых заrадочных процессах
природы. Пона человен лишь начал выходить за преде
лы своей нолыбели  планеты Земля. Мы не можем по..
на влиять на движение миров; Но автор принадлежит
н тем нрайним оптимиста:м, ноторые верят, что добывае...
мые знания о Вселенн'ой превратят человечество в боrов,
смело поворачивающих штурвал зволюции нашей Все..
ленной.
«Да, мечта, которую смутно лелеет человечесное науч....
ное исследование, это, в сущности, суметь овладеть ле...
жащей за пределами всех атомных и моленулярных
свойств основной энерrией, по отношению к ноторой все
друrие силы являются лишь побочными, и, объединив
всех вместе, взять в свои рун и штурвал мира, отыснать
саму пружину эволюции... В пер<mентивах нооrенеза вре....
:мя и пространство действительно очеловечиваются или,
скорее, сверхочеловечиваются». (п. Тейяр де Шарден,
f9381940)

ПРИЛОЖЕНИЕ
..
КАК ИЗМЕРЯЮТ ВСЕЛЕННУЮ
При решении вопросов о строении и эволю...
ции Вселенной важнейшую роль иrрают, конечно, изме...
рения расстояний до далеких rалактик. Мы видели 8
разделе 6, что эти измерения не только позволяют найm
распределение вещества в пространстве в крупных мае...
штабах, но и определяют постоянную Хаббла Но. Эта по--
следняя величина rоворит нам о скорости расширения
Вселенной сеrодня, о ее динамине и позволяет вычислить
возраст Вселенной. Таким образом, постоянная Хаббла
является важнейшей характеристикой мира. Кроме Toro,
изучение распределения вещества в космосе позволяет
найти среднюю плотность р, которая вместе с Но опре....
деляет rеометрические свойства пространства. Эти иссле
вования позволяют установить, является ли наш мир
открытым или занрытым (см. раздел 10).
Имея в виду важность измерения расстояний до самых
далеких объектов во Вселенной, мы в этом Приложении
опишем несколько подробнее, кан определяются большие
расстояния в современной астрономии и как это предпо....
лаrается делать в будущем, учитывая бурное развитие
астрономической техники, и в первую очередь развитие
Rосмичесних методов исследования с использованием
спутников и Rосмических кораблей.
Прежде Bcero вспомним, иак иамеряют достаточно
большие расстояния на Земле. Существуют два основных
метода. Это ради:олонация и измерения с помощью даль
номера. flри радиолокации измеряется время между MO
ментами посылки направленноrо радиосиrнала и получе
нием ero отражения от предмета. Зная скорость распро
странения сиrнала, леrко рассчитать расстояние до пред
метов. То же самое можно сделать, используя луч лазера.
В' друrом методе используется дальномер. В этом слу
чае измеряется уrол (ero называют параллаксом) види:
Moro перемещения преДl\lета на далеком фоне, если пред
мет рассматривать из разных точек, относительно Heдa
лено отстоящих друr от друrа. Расстояние между точка
169

ми называют базисом измерений. Несложные триrоном:ет--
рические вычисления позволяют тоrда найти расстояние
от базиса до предмета. Если параллактический уrол 3't
невелик, то расстояние r есть
r == d/1t, '(П.1 
rде 1t  уrол в радианцой мере, d........ длина базиса. Метод
получил название триrонометричесноrо. Ясно, что чем
больше базис, тем больше параллакс (при неизменном
расстоянии) и тем точнее можно измерить расстояние.
Простейшие дальномеры встроены теперь в фотоаппара
ты и хорошо всем известны.
Этими же двумя метода,ми пользуются астрономы при
ИЗl\lерении расстояний до тел Солнечной системы. Здесь
расстояния измеряются уже сотнями 1\IИЛЛИОНОВ и мил
лиардами километров. Максимальный размер базиса при
триrонометрических измерениях с поверхности Земли
есть величина ее диаметра (около 13 000 км).
Rоrда переходят к измерению расстояния до звезд. то
локация уже не применима, и единственным методом не...
I
посредственноrо измерения расстояния является триrо..
, ..
нометрический.
Здесь в качестве базиса используется диаметр земной
орбиты. 1I1Зl\Iерения параллактическоrо смещения звез,Lt
растяrивается минимум на полrода, коrда Земля, двиrаясь
BOKpyr Солнца, смещается в противоположную точку своей
орбиты. Ясно, что точность при этом теряется по cpaBHe
нию с одновременным (или практически одновремеННЫt)'
измерением с двух концов базиса. Точность измерения
параллаксов звезд наземными астроrрафами достиrает в
настоящее время 0,005".
В настоящее время измерены параллаксы (а значит и
расстояния) около 104 звезд, но только у нескольких со..
тен ближайших они известны с точностью до 100/0. в бли..
жайшие rоды ожидается существенное увеличение точ--
ности измерений (и их массовости), коrда будут выпол--
нены проrраммы измерений с помощью спутника «rип...
паркос» ЕвропеЙСRоrо Rосмическоrо areHTcTBa и космиче-
CRoro телесКОпа им. э. Хаббла (США)  Тоrда мы будеJ
надежно знать расстояния звезд вплоть ДО 100 пк.
Но даже 100 ПR........ это ничтожное расстояние в м:ас...
штабах нашей звездной системы rалактики, не rоворя
уже о ввеrалактических расстояниях. Сто парсеков со--
ставляют Bcero один процент расстояния от нас до цeHT
ра rалаКТИRИ.
170

Расстояния большие, чем десятки парсенов измеРЯЮТ1
пользуясь методом «стандартной свечи» (см. раздел 6).
Суть этоrо метода состоит в следующе:м. Если надежно
известна светимость L объекта (количество световой
энерrии, испускаемой в единицу времени), то, сравнивая
ее с видимым блеском l, можно рассчитать расстояние,
используя зависимость
l == L/4лr 2 .
(П.2J
Разумеется, вся трудность состоит в установлении L Ka
кихлибо объектов. Такие объекты называют индикато
рами расстояний (<<стандартными свечами»), а нахожде
ние L......" калибровкой индикаторов.
Rоrда используется соотношение (П.2), надо пом:нить,
что блеск звезд ослабляется не только большим расстол..
нием r, но еще и поrЛОIJением света пылыО в :межзвезд..
ном пространстве. Астрономы умеют определять ЭТО дo
полвительное ослабление. Они используют при этом тот
факт, что пыль сильнее поrлощает rолубые лучи, чем
красные. Поэто}.{у, определяя покраснение света звезд,
MOiKHO найти величину поrлощения света пылью по Д(}--
pore от источника до наблюдателя.
Переходя ко все большим расстояниям, используют
азные ИНДИRаторы все большей п большей светимости,
выIтраиваяя как бы своеобразную лестницу все больших
расстояний.
 Типичный пример подобной цепочки измерений MO
тет выrлядеть слеДУIОЩИМ обраЗОМlI
Сначала определяют расстояние до одноrо из БЛllжай
ших скоплений звезд  rиад. Делается это применениеи 
раЗНОВИДНОСТII триrонометричес:коrо метода, котрую мы
здесь описывать не будем. Расстояние ДО fиад OKa3ЫBa
стся ОI{ОЛО 45 ПК.
Затем, зная расстояние r и ВИДИl\IЫЙ блеск звезд l
с:копления, находят свеТИl\fОСТИ ето звезд L, ИСПОJIЬЗУЛ
фОрl\IУЛУ (Il.2). В скоплениях, подобных rиадам, свети..
IОСТЬ звезд L связана с их цветом: чеl\I ярче звезда
(больше L), тем она rолубее. Теперь известна зависи...
мость цвет  свети:мость звезд скопления. Наблюдая дру...
roe даленое снопление, расстояние до KOToporo неизвест",
НО, А10ЖНО по цвету звезд и установленной по rИ8даl\I
заВIIСII10СТИ цвет  свеТИl\fОСТЬ найти L соответствующих
звезд. Теперь уже нетрудно по формуле (П.2) опреде...
-ТIIIТЬ расстояние до этоrо скопления.
ПодоБПЫl\f образом: опредеЛЯIОТ расстояния до всех
171

скоплений в rалактике. В некоторых скоплениях нахо..
дятея пульсирующие переменные звезды  цефеиды
Зпая расстояние до этих скоплений, находят светимость
L цефеид, иными словами, калибруют их. Мы уже знаем
(СМ. раздел 6), что периоды изменения яркости у це...
феид свлзаны с их средней за период светмостью. По...
ЗТОIУ после указанной калибровки м:ы будем знать, ка...
кому периоду цефеиды соответствует та или иная сред-
вяя евеТИ10СТЬ L. Периоды цефеид леrко измеряются по
наблюдениям. Поэтому цефеиды служат отличными ин...
дикаторами расстояний. Эти звезды очень ярки и видны
даже в друrих rалактиках (правда, только в ближайших)«
Их называют первичными индикаторами расстояний. Це...
феиды позволили вычислить расстояния до ближайших
rалактик. Дальнейшая цепочка измерений расстояний до
все более далеких rалактик с использованием вторичных
индинаторов расстояний (ярчайшие звезды в rалактиках
или ярчайшие шаровые звездные скопления BOKpyr ra...
пактик), индикаторов третьеrо порядка (ярчайшие rалак",
тики в сноплениях или вспышки сверхновых звезд в да..
пеких rалактиках) кратко описана в разделе 6.
ПОМIIМО перечисленных выше индикаторов, MorYT ис..
пользоваться и друrие.
Так, например, было уетановлено, что в разных ra...
паRтиках размерыI облаков rаза из ионизованноrо водо...
рода имеют примерно одинаковые линейные размеры.
Сравнивая эти раtзмеры с видимыми их уrловыми диа...
метрами, можно так же вычислить расстояние.
Все перечисленные методы позволяют в конце этой
длинной лестницы, ведущей в rлубь Вселенной, измерять 
расстояния до миллиардов световых лет.
В последние rоды появились и новые методы опреде-
ления расстояний, основанные на более тщательной ка...
либровке «стандартных свеч».
Так, оказалось, что существует зависимость между
светимостью всей rалактики L и шириной спектральной
радиолинии, излучаемой нейтральным водородо}! (с ДЛfI--
ной волны 21 см). Ширина линии в спектре определя--
ется доплеровским эффектом изменения частоты при дви--
жении облаков водорода в rалактике. ЧеI больше масса
rаJIаRТИКИ, тем больше силы тяrотения и больше сноро--
сти движения водородных облаков, вызывающие расши--
рение спектральной линии. С друrой стороны, чем боль--
те масса, тем больше свеТИl\10СТЬ rалактики L. Этим
объясняется зависи:мость L  ширина линии 21 с:м, наЙ...
172

днная астрофизинами Р. Тулли и Дж. Фишером. Изме..
ряя ширину линии нейтральноrо водорода, находят све..
тим ость L rалантики, а затем по формуле (П.2) и pa
стояние до нее.
Имеются и друrие методы определения светимости L
rалактин или кан:ихлибо ярних объектов в них. Несмот...
ря на оrромную работу, проделанную астрономами, оши
ки в измерении расстояний, которые превышают десяток
миллионов парсеков, все еще велики, и леrко м:ожно
ОllJибиться в два раза. '
Нанонец, для самых далених объектов (rалантик, KBa
заров) для оценки расстояний используется занон pac
ширения Вселенной Хаббла (см. раздел 6):
v === Hor. (П.З)'
Измеряя красное смещение z, вычисляют скорость v
(см. (6.1», и затем по (П.З) . находят r. Но /мы помним,
что наше знание коэффициента Но в (П.З) все еще He
определенно с точностью до множителя 2. Отсюда и He
избежные ошибки в измерении расстояний. Кроме Toro,
rалактики и квазары MorYT обладать и случайными ско",
ростями помимо скорости, связанной с общим расшире...
нием Вселенной. Это  добавочный источник ошибок при
Jычислении расстояний таким методом.
В будущем ситуация с измерениями внеrалактичесних
расстояний должна существенно улучшиться. Как уже
было сказано, эта надежда связана с новым:и космиче
скими проrраммами.
В ближайшее время американцы планируют вывести
на орбиту BOHpyr Земли носмичесний телескоп с зерна
лом диаметром 2,4 м. Это зеркало позволит получать
изображения очень высокоrо начества и проводить иссле
дования во всем диапазоне длин волн от даленой ультра..
фиолетовой до даленой инфранрасной области спектра.
При этом важнейшее значение имеет тот факт, что теле
сноп будет работать вне земной атмосферы, ноторая в
сильнейшей степени затрудняет точные измерения с по
верхвости Земли.
Телескоп им. Э. Хаббла позволит непосредственно Ha
блюдать цефеиды не только в ближайших к нам rалан
тинах, но и в rалактинах, входящих в состав снопления
в созвездии Дева. Это скопление находится от нас на
расстоянии раз в десять большем, чем ближайшие круп
вые rалантини. Снимки цефеид в этом скоплении rалак
тик можно будет получать при продолжительности экс
позиции 50 минут.
173

Цефеиды ЯВЛЯIОТСЯ весьма надежными ивдикатораIИ
расстояний и позволят измерить расстояние до скопле
ния в созвездии Дева с точностью 100/0. Знание этоrо
расстояния позволит с той же точностью определить по
стоянную Хаббла, а значит, и достаточно надежно опре..
делить возраст Вселенной.
IIаблюдение на нос:мическом телеСI(опе позволит так..
же значительно продвинуть шкалу измерений расстояний
в rлубь Вселенной.
MHoro важных космических проектов по изучению
дальнеrо ноемоса rотовится в нашей стране в Институте
космических исследований под руноводством академика
Р. 3. Саrдеева. I\!ы расснажем об одном из них. \
Астрофизики не MorYT быть полностью удовлетворены
той точностью измерений, :которую обеспечит телесноп
ИМ. э. Хаббла. Далено не все проблемы космолоrии эти
наблюдения позволят реШIIТЬ. Так, вероятно, не удастся
определить, больше ли средняя плотность вещества во
Вселенной, чем нритическая' плотность, или нет, так как
для этоrо потребуется бблып&я точность измерений.
Важный новый mar в измерении rлубин Вселенной
можно сделать, используя во внеrалактической астрово--
мии метод триrонометричеСlоrо паралланса.
Но нан это осуществить? Ведь для этоrо надо увелиi
чить чувствительность метода в миллионы раз. И все же
в будущем это станет возм:ожным. В 70e .rоды советские
радиоастрономы Н. с. Кардашев, ю. Н. Парийс:кий и
Н. д. Умарбаева поназали, что космический дальномер,
состоящиЙ из трех или более радиотелеснопов, разнесен..
ных в пространстве на неснолько сот мц,ллионов кило--
метров (порядна'" диаметра земной орбиты), позволит
измерять параллантическое смещение с точностью до
1 OiO уrловой сенунды. Это означает, что будет возможно
измерять расстояние до неснольких :миллиардов парсе--
нов  т. е. до rраниц видимой Вселенной. При этом бу..
дет выполнена, по существу, трианrуляция видимой ча..
сти Вселенной, подобно тому как столетия назад была
осуществлена трианrуляция Земли. Можно будет по..
строить не только подробную :карту расположения самых
далеких объектов и определить их движение, LO и ока...
жется возможным измерить искривленность TpeXMepHoro
пространства (см. раздел 10), аналоrично тому на:к три..
анrуляция позволила измерить :кривизну земной поверх--
ности и определить размер земноrо шара. Этот же :косми..
ческий интерферометр позволит «рассмотреть» в радио..
174

лучах мельчайmие детли в ядрах rалантин и в нвазарах
.на расстояниях в сотни миллионов парсенов.
Правда, до полноrо осуществления TaKoro проента
пока еще очень далеко и на пути н нему предстоит BJII...
полнить неснолько предварительных nporpaM1 меньmеr0
масmтаба. ПеРВЫl\I marOM в этом направлении является
nporpaMMa «Радиоасrrрон». Она предусматривает запуск
в ближайшее десятилетие НОСIическоrо радиотелеснопа,
работающеrо на длинах волн от 1,4 см до 1 м и имеlО...
щеrо антенну диаметром 10 м. Этот инструмент вместе
с наземными радиотелескопами составит интерферометр
с базисом ДО миллиона Rилометров. Масса кос:мичесноrо
радиотелеснопа около 1,5\ т. "Еще в последующее пятилс...
тие предполаrается' создание подобноrо же инструмента,
работающеrо танже и на миллиметровых длинах воли.
Следующей (третьей) ступенью проента явится запуск
космическоrо радиотелеснопа диаl\Iетром 30 м, массой
20 т и работающеrо на длинах волн от дециметровоrо
диапазона до }IИJIлиметровоrо.
Осуществление уже первых этапов проекта позволит
измерять расстояния до друrих rалаНТИR триrОRометри",
чеСI{ИМ путем, измеряя разлет оболочек сверхновых звезд,
избеrая всех неопределенностей, связанных с примене...
вием метода «стандартной свечи», вызванных трудностью
калибровни этих «свечей», а также и тем, что они- не
являются таними уж «стандартными» ....... т. е. один объеl\Т
все же заметно отличается от дpyroro по своей све""
ти:мости.
Коrда перечисленные выше проекты станут ре аль...
ностьЮ астрофизики с rораздо большей определепностью
будут удить о масштабах Вселенной в пространстве и
времени.

Новипов Неорь Дмитриевич.
КАК В30РВАЛАСЬ ВСЕЛЕННАЯ
Серия «Библиотечка «Квант», выи. 68
Редаитор л. А. ПаНЮ1.uкuна
tX.удожественпый редаитор Т. Н. RО.I1,'ь'Ч,енпо
t;rехничесиий редаитор Е. В. Мороаова
Корреиторы Т. В. Подво.л'Ьспая, Н. Б. Румянцева
ив п 32666
Сдано в набор 04 11 87. Подписано н печати 15.04 88. T09562. Формат
84Х 108/32. Бумаrа тип. М 2 rарнитура обыиновенная. Печать высоная.
Усл. печ. л. 9,24. Усл. ир.отт. 10,05. Уч изд. л. 9,63. Тираж 150 000 ВИЗ.
Sаиаз М 1174. Цена 40 иоп.
Ордена Трудовоrо RpacHoro Знамени издательство «Науна»
rлавная реданция физииоматематичесиой литературы
117071 Мосива B71, Ленинсиий проспект, 15
4я типоrрафия издательства «Науна')
630077 НОБосиБИрСl\ 77, Станиславсноrо, 25