Вдревних мифах и легендах есть общепринятый и понятный взгляд на космос – антропоцентрический. Само собой разумеется, существовали боги. Но у богов были чувства и слабости, и они были очень похожи на людей. Они вели себя капризно. Их можно было умилостивить жертвой и молитвой. Они регулярно вмешивались в человеческие дела. Разные фракции богов поддерживали противоположные стороны в человеческих войнах. В «Одиссее» выражено общепринятое мнение, что нужно быть добрым к незнакомцам: они могут оказаться замаскированными богами. Боги могут иметь возлюбленных среди людей, и их дети обычно неотличимы, по крайней мере внешне, от человеческих. Боги живут на горах, или на небе, или в каком-то подземном или подводном царстве – в любом случае далеко. Не так-то просто встретить бога, так что историю, повествующую о богах, было трудно проверить. Иногда их действия контролировали еще более могущественные существа, как мойры контролировали олимпийских богов. Природа Вселенной в целом, ее происхождение и судьба были не очень понятны. В ведических мифах неизвестно не только, боги ли создали мир, но даже знают ли боги, кто его создал. Гесиод в своей «Космогонии» говорит, что Вселенная была создана из Хаоса (или, может, Хаосом) – возможно, это только метафора сложности проблемы.

Некоторые древнеазиатские космологические взгляды близки к идее бесконечной регрессии причин, как иллюстрируется в следующей апокрифической истории. Западный путешественник встречает восточного философа и просит его описать природу мира:

– Это большой шар, лежащий на плоской спине мировой черепахи.

– Ах да, но на чем стоит мировая черепаха?

– На спине еще большей черепахи.

– Да, но на чем она стоит?

– Очень тонкий вопрос. Но он бессмысленный, мистер: черепахи до самого низа.

Сейчас мы знаем, что живем на крошечной пылинке в огромной, захватывающей дух Вселенной. Боги, если они существуют, больше не вмешиваются ежедневно в человеческие дела. Мы живем не в антропоцентрической Вселенной. И природа, происхождение и судьба космоса являются тайнами, намного более глубокими, чем считали наши дальние предки.

Но ситуация снова меняется. Космология, исследование Вселенной в целом, становится экспериментальной наукой. Информация, полученная с помощью оптических и радиотелескопов на Земле, ультрафиолетовых и рентгеновских телескопов на околоземной орбите, посредством исследования ядерных реакций в лабораториях и определения содержания химических элементов в метеоритах, сужает круг допустимых космологических гипотез; и мы вполне можем ожидать, что скоро посредством наблюдения мы получим четкие ответы на вопросы, которые когда-то считались исключительной прерогативой философов и теологов.

Эта революция наблюдения началась с невероятного источника. Во втором десятилетии XX в. во Флагстаффе, Аризона, было – и все еще есть – астрономическое учреждение – обсерватория Лоуэлла, основанная не кем иным, как Персивалем Лоуэллом, для которого поиск жизни на других планетах был всепоглощающей страстью. Именно он популяризировал и продвигал идею о том, что Марс испещрен каналами, которые, по его мнению, являлись произведениями расы существ, увлеченных инженерной гидравликой. Сейчас мы знаем, что каналы не существуют вовсе. Ученые явно принимали желаемое за действительное, и их возможности наблюдения были ограничены туманной атмосферой Земли.

Среди всего прочего Лоуэлл интересовался спиральными туманностями – изумительными светящимися объектами в форме вертушки в небе, которые, как мы теперь знаем, являются далекими скоплениями сотен миллиардов индивидуальных звезд, как галактика Млечный Путь, в состав которой входит наше Солнце. Но в то время не было способа определить расстояние до этих туманностей, и Лоуэлл заинтересовался альтернативной гипотезой – что спиралевидные туманности были не огромными, далекими, многозвездными объектами, а малыми, близкими объектами, которые представляли собой ранние стадии уплотнения отдельной звезды из межзвездного газа и пыли. Поскольку такие газовые облака сжимаются под действием своей гравитации, сохранение момента импульса требует, чтобы они ускорились до быстрого вращения и сжались до тонкого диска. Быстрое вращение можно распознать астрономическим путем посредством спектроскопии, позволяя свету от дальнего объекта последовательно проходить через телескоп, узкую щель и стеклянную призму или другое устройство, которое расщепляет белый свет в стороны в виде радуги цветов. Повсюду в этой радуге, формируемой светом звезды, видны яркие и темные линии – изображения щели спектрометра. Например, ярко-желтые линии, испускаемые натрием, проявляются, когда мы бросаем небольшой кусочек натрия в пламя. У вещества, состоящего из множества разных химических элементов, будет много разных спектральных линий. Сдвиг длин волн этих спектральных линий относительно их положения в спектре неподвижного источника дает нам информацию о скорости движения источника по направлению к нам и от нас – явление, которое называется эффектом Доплера и знакомо нам по физике звука как увеличение или уменьшение высоты звучания гудка автомобиля, когда машина быстро приближается или удаляется.

Считается, что Лоуэлл попросил молодого ассистента, В. Слайфера, проверить большие спиральные туманности, чтобы определить, наблюдается ли смещение спектральных линий одного конца туманности в красную область, а другого – в голубую, из чего можно было бы определить скорость их вращения. Слайфер исследовал спектры ближайших спиральных туманностей, но обнаружил, к своему изумлению, что почти все они показывали красное смещение, а признаков голубого смещения практически не было. Он не обнаружил вращения, но обнаружил удаление. Складывалось впечатление, что все спиральные туманности удаляются от нас.

Гораздо более широкий ряд наблюдений был получен в 20-х гг. ХХ в. в обсерватории Маунт-Вилсон Эдвином Хабблом и Милтоном Хьюмасоном. Хаббл и Хьюмасон разработали метод определения расстояния до спиральных туманностей; стало очевидно, что это не уплотняющиеся газовые облака, находящиеся относительно близко в галактике Млечный Путь, а большие галактики на расстоянии миллионов или более световых лет. К своему удивлению, они также обнаружили, что чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется от нас. Поскольку маловероятно, что у нас какое-то особое положение в космосе, это лучше всего объясняется общим расширением Вселенной: все галактики разбегаются друг от друга, так что астроном из любой галактики наблюдал бы, что все другие галактики явно удаляются.

Если мы экстраполируем такое разбегание в прошлое, мы обнаружим, что было время – возможно, 15 или 20 млрд лет назад, – когда все галактики должны были «соприкасаться», то есть были заключены в чрезвычайно малом объеме пространства. Материя в своей нынешней форме не могла бы пережить такое удивительное сжатие. На самых ранних стадиях такого расширения Вселенной должно было быть больше излучения, а не материи. Сейчас принято говорить об этом времени как о Большом взрыве.

Этому расширению Вселенной было предложено три объяснения: теория стационарной Вселенной, теория Большого взрыва и модель циклической Вселенной. Гипотеза стационарной Вселенной предполагает, что галактики разбегаются, дальние галактики двигаются с очень высокими кажущимися скоростями, спектр их света смещается под действием эффекта Доплера в сторону все более длинных волн. На каком-то расстоянии галактика будет двигаться так быстро, что пересечет так называемый горизонт событий и с нашей точки наблюдения исчезнет. Это расстояние так велико, что в расширяющейся Вселенной нет возможности получить информацию за его пределами. С течением времени, если ничего не помешает, все больше и больше галактик исчезнет из поля зрения. Но в космологии стационарной Вселенной материя, изчезнувшая за горизонтом, полностью компенсируется новой, повсеместно и постоянно создаваемой материей, которая в конечном итоге конденсируется в новые галактики. Благодаря скорости исчезновения галактик за горизонтом событий, которое уравновешивается только созданием новых галактик, Вселенная выглядит более-менее неизменной с каждого места и в каждую эпоху. В модели стационарной Вселенной нет Большого взрыва; сотню миллиардов лет назад Вселенная выглядела точно так же и через сотню миллиардов лет будет выглядеть так же, как сейчас. Но откуда берется новая материя? Как может материя создаваться из ничего? Сторонники космологической модели стационарной Вселенной отвечают, что она берется из того же места, откуда приверженцы Большого взрыва берут свой взрыв. Если мы можем представить, как вся материя во Вселенной возникла мгновенно из ничего 15–20 млрд лет назад, почему мы не можем представить, как она создается тонкой струйкой повсеместно, постоянно и непрестанно? Если гипотеза стационарной Вселенной верна, никогда не было такого времени, когда галактики находились гораздо ближе друг к другу. Таким образом, крупномасштабная структура Вселенной неизменная и бесконечно древняя.

Но, какой бы безмятежной и странным образом убедительной ни была космологическая модель стационарной Вселенной, существует веское доказательство, свидетельствующее против нее. Когда чувствительный радиотелескоп направлен куда-то в небо, можно обнаружить постоянный треск каких-то космических помех. Характеристика этого радиошума почти точно совпадает с тем, чего мы бы ожидали, если бы ранняя Вселенная была горячей и кроме материи заполнена еще излучением. Космическое излучение черного тела почти одинаковое по всему небу и выглядит очень похоже на отдаленный грохот Большого взрыва, охлажденного и ослабленного расширением Вселенной, но все еще мчащегося по коридорам времени. Можно наблюдать первозданный огненный шар, с которого началось расширение Вселенной. Приверженцы модели стационарной Вселенной вынуждены сейчас утверждать, что множество отдельных источников излучения в совокупности каким-то образом точно имитируют охлажденный первозданный огненный шар, или предполагать, что Вселенная далеко за горизонтом событий находится в стационарном состоянии, но по чистой случайности мы живем в своего рода расширяющемся пузыре – бурно развивающемся вздутии гораздо более обширной, но более мирной Вселенной. У этой идеи есть преимущество или недостаток, в зависимости от вашей точки зрения, – ее невозможно опровергнуть экспериментально, и практически все космологи отказались от гипотезы стационарной Вселенной.

Если Вселенная находится не в стационарном состоянии, тогда она меняется, и такие меняющиеся вселенные описываются космологическими моделями эволюции Вселенной. Они начинаются в одном состоянии и заканчиваются в другом. Какова потенциальная судьба Вселенной в космологических эволюционных теориях? Если Вселенная продолжает расширяться с текущей скоростью и галактики продолжают исчезать за горизонтом событий, в конечном счете в видимой Вселенной будет все меньше и меньше материи. Расстояния между галактиками увеличатся, и будет все меньше и меньше спиралевидных туманностей для наблюдения с Земли преемниками Слайфера, Хаббла и Хьюмасона. В конце концов расстояние от нашей галактики до ближайшей галактики превысит расстояние до горизонта событий, и астрономы больше не смогут увидеть даже ближайшую галактику, кроме как в (очень) старых книгах и фотографиях. Благодаря гравитации, которая удерживает вместе звезды нашей галактики, расширение Вселенной не рассеет ее, но даже здесь нас ожидает странная и безрадостная судьба. Во-первых, звезды эволюционируют, и через десятки или сотни миллиардов лет большинство нынешних звезд станут небольшими и темными карликами. Остальные превратятся в нейтронные звезды или черные дыры. Для активного молодого поколения звезд новой материи не будет. Солнце, звезды, целая галактика Млечный Путь медленно погаснут. Свет в ночном небе исчезнет.

Но и в такой Вселенной все же есть дальнейшая эволюция. Мы привыкли к идее о радиоактивных элементах, определенных видах атомов, которые спонтанно распадаются. Например, обычный уран. Но мы меньше знакомы с идеей, что каждый атом, кроме железа, через достаточно долгое время становится радиоактивным. Даже самые стабильные атомы будут подвергаться радиоактивному распаду, испускать альфа и другие частицы, и, если мы подождем достаточно долго, останется только железо. Насколько долго? Американский физик Фримен Дайсон из Института перспективных исследований вычислил, что период полураспада железа составляет около 10500 лет – единица и пятьсот нулей – число настолько большое, что прилежному нумерологу потребовалось бы десять минут, чтобы только его написать. Так что, если мы подождем немного дольше – 10600 лет будет в самый раз, – не только звезды погаснут, но вся материя во Вселенной, кроме нейтронных звезд или черных дыр, превратится в мельчайшую ядерную пыль. В конце концов галактики полностью исчезнут. Солнце почернеет, материя распадется, и не останется потенциальной возможности для выживания жизни, или разума, или цивилизаций – холодная, темная, пустынная смерть Вселенной.

Но нужно ли Вселенной расширяться бесконечно? Если я встану на маленьком астероиде и подброшу камень вверх, он улетит с астероида, поскольку сила притяжения там недостаточно велика, чтобы притянуть камень обратно. Если я брошу тот же камень с той же скоростью с поверхности Земли, он, конечно, вернется и упадет из-за сильного гравитационного поля нашей планеты. Но та же физика применима и к Вселенной в целом. Если материи будет меньше определенного количества, силы гравитационного притяжения между галактиками будут недостаточными для того, чтобы существенно замедлить расширение Вселенной, и оно будет продолжаться вечно. С другой стороны, если материи будет больше определенной критической массы, расширение со временем замедлится, и мы будем спасены от телеологии опустошенной Вселенной, которая расширяется вечно.

Какова тогда будет судьба Вселенной? Что ж, тогда наблюдатель увидит, как расширение в конце концов сменится сжатием, галактики сначала медленно, а потом с увеличивающейся скоростью будут приближаться друг к другу, затем галактики, миры, жизнь, цивилизации и материя помчатся кубарем и столкнутся на всех парах, так что все структуры во Вселенной полностью разрушатся и вся материя в космосе превратится в энергию: Вселенная, вместо того чтобы найти конец в холодном рассеянии и опустошении, закончится горячим и плотным огненным шаром. Вполне вероятно, что такой огненный шар двинется обратным ходом и приведет Вселенную к новому расширению и, если законы природы останутся теми же, к новому появлению материи, сжатию галактик, звезд и планет, новой эволюции жизни и разума. Но информация из нашей Вселенной не просочится в следующую, и с нашей точки зрения такая циклическая космологическая модель является столь же бесповоротным и удручающим концом, как и расширение, которое никогда не прекратится.

Различие между Большим взрывом с вечным расширением и циклической моделью Вселенной явно заключается в количестве имеющейся материи. Если критическое количество материи превышено, мы живем в циклической Вселенной. В противном случае мы живем в той, что расширяется вечно. Время расширения – измеряемое десятками миллиардов лет – такое длительное, что эти космологические явления непосредственно не влияют на человека. Но они имеют большое значение для нашего представления о природе и судьбе Вселенной и – чуть в меньшей степени – о нас самих.

В замечательной научной статье, опубликованной в выпуске Astrophysical Journal от 15 декабря 1974 г., представлен широкий ряд наблюдений и доказательств по вопросу, будет ли Вселенная продолжать расширяться вечно («открытая» Вселенная) или она будет постепенно замедляться и снова сжиматься («закрытая» Вселенная), возможно, как часть бесконечного ряда циклов. Статья написана Дж. Ричардом Готтом III и Джеймсом Ганном, в то время работавшими в Калифорнийском технологическом институте, и Дэвидом Шраммом и Беатрис Тинсли из Техасского университета. В одном из своих рассуждений они приводят вычисления количества вещества в галактиках и между ними в «ближайших», доступных для наблюдения регионах космоса и экстраполируют их на остальную часть Вселенной: они приходят к выводу, что материи недостаточно, чтобы замедлить расширение.

Ядро атома обычного водорода состоит из одного протона. У тяжелого водорода, который называется дейтерий, ядро состоит из одного протона и одного нейтрона. Астрономический телескоп «Коперник» на орбите Земли впервые измерил количество дейтерия между звездами. Дейтерий должен был возникнуть в процессе Большого взрыва в количестве, которое зависит от плотности вещества в ранней Вселенной. Плотность в ранней Вселенной связана с плотностью в наши дни. Количество дейтерия, обнаруженное «Коперником», позволяет оценить плотность ранней Вселенной и показывает, что современной плотности материи недостаточно, чтобы помешать Вселенной расширяться вечно. И определенное сегодня значение постоянной Хаббла, которая показывает, насколько быстро возрастает скорость удаления галактик с увеличением расстояния до них, соответствует всему вышесказанному.

Готт и его коллеги подчеркнули, что в их доказательствах могут быть недочеты, что, возможно, межгалактическая материя спрятана так, что мы не можем ее обнаружить. Сейчас начали появляться доказательства присутствия такой недостающей массы. Астрономические обсерватории для регистрации излучения высокой энергии (High Energy Astronomy Observatory, HEAO) – это система спутников на орбите Земли, которые сканируют Вселенную на предмет частиц и излучения, которые мы не можем обнаружить здесь, внизу, под нашим толстым слоем воздуха. Такие спутники уловили интенсивное рентгеновское излучение от скопления галактик, из межгалактического пространства, где до настоящего времени не было и намека на материю. Очень горячий газ между галактиками был бы невидим для других экспериментальных методов и, следовательно, упущен при инвентаризации космической материи, проведенной Готтом и его коллегами. Более того, наземные радиоастрономические исследования, проведенные в обсерватории Аресибо в Пуэрто-Рико показали, что вещество простирается далеко за видимый в оптических лучах край галактики. Когда мы смотрим на фотографию галактики, мы видим край или периферию, за которой нет видимой светящейся материи. Но радиотелескоп Аресибо обнаружил, что материя исчезает очень медленно и что на границах и с внешней стороны галактик много темной материи, которая была упущена при предыдущих наблюдениях.

Чтобы наблюдаемое расширение Вселенной в будущем сменилось сжатием, необходимо в тридцать раз больше вещества, чем получается в стандартных подсчетах, таких как провел Готт. Но, возможно, темный газ и пыль во внешних частях галактик и удивительно горячий газ между галактиками, светящийся рентгеновскими лучами, в совокупности дают как раз достаточное количество материи, чтобы закрыть Вселенную, предотвратить вечное расширение, но обрекают нас на неотвратимый конец в космическом огненном шаре через 50–100 млрд лет. Этот вопрос все еще не решен. Доказательства, основанные на дейтерии, указывают на другое будущее Вселенной. Наши подсчеты полной массы вещества очень далеки от совершенства. Но, по мере того как будут развиваться новые техники наблюдения, у нас появится возможность распознавать все больше и больше недостающей массы, так что маятник наших представлений о Вселенной может качнуться к закрытой модели.

Хорошая идея – не делать преждевременных выводов по этому вопросу. А еще лучше – не позволять нашим личным предпочтениям влиять на решение. Согласно долгой традиции успешно развивающейся науки, мы должны позволять природе открывать нам истину. Но темп открытий увеличивается. Природа Вселенной, вырисовывающаяся благодаря развитию современной экспериментальной космологии, сильно отличается от представлений древних греков, которые размышляли о Вселенной и богах. Если мы будем избегать антропоцентризма, если мы будем действительно беспристрастно рассматривать все альтернативы, быть может, в следующие несколько десятилетий мы впервые точно определим природу и судьбу Вселенной. И тогда мы увидим, прав ли Готт.