Пульсирующая Вселенная - Николай Николаевич Горькавый

В 1931 году Ж. Леметр опубликовал в журнале Nature короткую заметку с гипотезой, что причиной расширения Вселенной может быть ядерный взрыв. Он предположил «возникновение Вселенной из одного-единственного атома, чей атомный вес был бы равен полной массе Вселенной. Такой крайне нестабильный атом начал бы делиться на все меньшие атомы в ходе некоего сверхрадиоактивного процесса».

Эта элегантная теория «протоатома» (Леметр называл ее «теорией фейерверка») отвечала тогдашнему уровню физики и недавнему обнаружению делимости радиоактивных элементов. Но такой «ядерный сценарий» эволюции Вселенной должен был приводить к обилию тяжелых элементов, потому что самым «прочным» химическим элементом, с наибольшим уровнем ядерных скрепляющих сил, является железо. Процесс развала огромных гипотетических атомных ядер исследовали такие известные физики-ядерщики, как Мария Гепперт-Мейер (1906–1972), лауреат Нобелевской премии, и Эдвард Теллер (1908–2003), которого называют отцом водородной бомбы. Они оба показали, что в результате леметровского ядерного взрыва самыми распространенными элементами во Вселенной должны были быть тяжелые элементы от железа до урана. В реальности железо и его соседи по таблице Менделеева являются лишь небольшой примесью в химическом составе Вселенной, где царит водород и гелий, поэтому идея «протоатома» Леметра не подтвердилась наблюдениями.

Эйнштейн считал вопрос о начале Вселенной не очень серьезным, ведь он был склонен считать Вселенную стационарной. Леметр рассказал Илье Пригожину (1917–2003) следующую историю. Когда Леметр заговорил с Эйнштейном о начале Вселенной, автора ОТО это не заинтересовало: «Это слишком похоже на акт творения, — сказал он Леметру, — сразу видно, что вы священник!» (Пригожин И. «Эйнштейн, триумфы и коллизии»).

Искать связь между пространственно-временным расширением Вселенной и конкретной физической причиной этого раздувания решились редкие ученые. Пригожин говорит о законе Хаббла: «Связь между этим законом и „взрывающейся“ вселенной Фридмана и Леметра была очевидна. Однако большинство физиков долгое время безмолвствовали перед этим описанием Вселенной в историческом развитии».

Тем не менее нашелся ученый, который решил изучить расширяющуюся и пульсирующую Вселенную с точки зрения термодинамики — словно Вселенная была огромной паровой машиной. Ричард Толмен, профессор Калифорнийского технологического института, написал в 1934 году выдающуюся монографию «Относительность, термодинамика и космология», которая не устарела до сегодняшнего дня. В этой книге он особое внимание уделил циклической модели Вселенной, которую он рассматривал как наиболее реалистичный случай в пределе нулевой космологической постоянной. Толмен считал: «...в настоящее время не существует никакой теории, с помощью которой можно было бы хоть как-нибудь вычислить величину космологической постоянной», тем самым, как он полагал, «следует обратить особое внимание на осциллирующие модели, которые в этом случае становятся единственно возможными для описания закрытой Вселенной».

Толмен представлял Вселенную в виде своеобразного поршневого двигателя: «...ситуация здесь аналогична классическому случаю цилиндра с теплоизолированными стенками и движущимся поршнем, в котором происходит непрерывная последовательность сжатий и расширений диссоциирующего газа. При этом энергия и энтропия непрерывно возрастают до тех пор, пока хватает внешней энергии для очередного сжатия. В релятивистском же случае источником внешней энергии может служить потенциальная энергия гравитационного поля, связанная с плотностью эйнштейновского псевдотензора...»[6]

Это был очень нетривиальный вывод. Клаузиус полагал, что Вселенная, как и все замкнутые системы, без внешних источников энергии должна остыть вплоть до «тепловой смерти». Илья Пригожин ввел понятие открытых систем, которые способны к самоорганизации, потому что к ним есть подвод внешних потоков энергии или вещества. Толмен же высказал мысль, что гравитационные системы — особенные, они благодаря внутренней гравитационной энергии, даже будучи замкнутыми, могут развиваться, испытывать неустойчивости, порождающие структуры, и пульсировать. Действительно, если мы замкнем большой объем космического газа в непроницаемую оболочку, то это не запретит образование внутри этого объема новых звезд и планет благодаря самогравитации газа, которая приводит к неустойчивости Джинса.

Толмен, показав способность замкнутой системы к гравитационной самоорганизации, одновременно установил энтропийный предел на ее развитие. В своей книге он доказывал, что циклическая Вселенная обязана накапливать энтропию, тем самым она не будет, строго говоря, цикличной: «...хотя модель во время расширения или сжатия может проходить через состояния, в которых в некоторый момент выполняются условия, соответствующие физико-химическому равновесию, тем не менее очевидно, что энтропия каждого элемента жидкости в конечном счете должна возрастать беспредельно, покуда происходят необратимые сжатия и расширения».

Это доказательство произвело такое сильное впечатление на сообщество физиков, что интерес к модели циклической Вселенной значительно ослаб. Многие физики, например Я. Б. Зельдович, решили, что вывод Толмена запрещает модели циклической Вселенной.

В 30-е годы XX века космология отступила на второй план перед лицом тогдашних трагических мировых событий. Германия, которая по праву считалась лидером научного сообщества, впала в слабоумие агрессивного национализма. В результате масса европейских ученых, включая Эйнштейна, эмигрировали в США, благодаря чему Германия навсегда перестала быть научной сверхдержавой, а немецкий язык потерял статус мирового языка науки. Разразившаяся Вторая мировая война заставила правительства разных стран мобилизовать своих ученых на создание атомной и термоядерной бомб, ракет, радаров и прочего новейшего вооружения. Например, космолог Толмен занял видное положение в Манхэттенском проекте по созданию атомной бомбы.

Неудивительно, что следующий шаг в развитии космологии сделал одессит Георгий (Джордж) Гамов (1904–1968), эмигрировавший из СССР. Его биография значительно ограничивала участие в военных программах США, что оставляло ученому, который стал профессором университета имени Джорджа Вашингтона, достаточно времени для космологии, биологии и написания научно-популярных книжек.

Некоторые ученые отвергали идею взрывного образования Вселенной очень долго, считая, что наблюдательный факт расширения Вселенной еще не означает того, что Вселенная раньше была маленьким и плотным объектом, впоследствии взорвавшимся. В середине XX века была популярна теория одноразовой Вселенной, выдвинутая Германом Бонди, Томасом Голдом и Фредом Хойлом, которая предполагала, что космос каким-то образом рождает по одному атому водорода в год в объеме «небоскреба средних размеров» (цитата из книги Ф. Хойла «The Nature of the Universe», 1950), отчего изначально холодная Вселенная бесконечно расползается, как