Борис Штерн: Прорыв за край мира

Опуская всяческих китов, слонов и хрустальные сферы, начнем исторический очерк с картины мира, которая уже может обсуждаться в рамках науки. Это вечная, бесконечная, в среднем неизменная Вселенная. Такая концепция постепенно сложилась в XVI—XIX веках и служила основной космологической парадигмой вплоть до 1920-х годов. Впрочем, наверняка эту концепцию, как и большинство философских откровений эпохи Просвещения, уже сформулировал кто-то из древних греков. Современный человек как будто впитывает идею вечной бесконечной Вселенной с молоком матери и очень удивляется, когда узнает про Большой взрыв.

Вечная бесконечная Вселенная комфортна для человеческого разума. Человеку хочется думать, что звезды будут светить всегда, что у мира нет ни конца, ни начала, что перед жизнью и разумом нет никаких пределов, даже в отдаленном будущем.

Такая Вселенная понятна и логична. А как же еще? Как представить себе начало и конец? А что раньше начала? А что дальше конца? Вопрос, откуда взялась Вселенная, в этой парадигме тоже не актуален — это всё остальное откуда-то взялось во Вселенной, которая есть просто вместилище всего сущего.

Однако уже в XIX веке в грандиозной картине мироздания появились первые трещины. Причем эти трещины имели вид простых вопросов. Во-первых, почему ночью небо темное? Именно такой вопрос был однажды задан школьником команде «знатоков» в телепередаче «Что? Где? Когда?». «Знатоки», уповая на то, что вопрос задан школьником (даже не старшеклассником), дали простой ответ: «Потому, что ночью мы находимся в тени Земли, и атмосфера над нами не может рассеивать солнечные лучи». Школьник был не столь прост. Оказывается, если Вселенная бесконечна, вечна и изотропна, прямой луч в любом направлении упрется в звезду (как любой горизонтальный взгляд в лесу упрется в лист или ствол дерева) — значит, небо должно сиять столь же ярко, как поверхность звезды. Поглощение не спасает — любой поглотитель нагреется и засияет с той же яркостью. Этот факт носит название «фотометрический парадокс Ольберса». Он говорит о том, что Вселенная либо не вечна, либо не бесконечна.

Интересно попробовать парадокс Ольберса «на зуб» — насколько должна быть велика Вселенная, чтобы он сработал. Здесь следует предупредить читателя, что если он не любит оперировать большими числами, то может пропустить два следующих абзаца.

Стволы деревьев в лесу перекроют перспективу на нескольких сотнях метров. А на каком расстоянии звезды перекроют небо? Это нетрудно прикинуть, зная среднюю плотность Вселенной. Нам нужно обычное вещество, сейчас известно, что его плотность во Вселенной около 10 -30г/см 3(в XIX веке этой величины не знали и при попытке оценить скорее всего получили бы значение на несколько порядков выше), и примерно десятая часть вещества находится в звездах. Значит, средняя плотность вещества, заключенного в звездах, 10 -31г/см 3. Будем считать, что все звезды подобны Солнцу, — это даст не слишком большую ошибку, расстояние будет завышено, может быть, в пару раз. Масса Солнца — 2·10 33г. Значит, средняя плотность звезд во Вселенной n ≈ 0,5·10 -64см -3. Надеемся, читателя не смущает такая величина, как число звезд в кубическом сантиметре — ее смысл можно выразить иначе: одна звезда в кубе с ребром 2·10 21см (2 тыс. световых лет). Теперь надо взять площадь диска Солнца σ = πR 2 ≈ 10 22м 2(радиус Солнца — 696 тыс. км) и определить среднюю длину луча до попадания в звезду: S = 1/ nσ ≈ 2·10 41см.

Это чудовищное расстояние, на 13 порядков больше, чем размер видимой части современной Вселенной. На столько видимая часть Вселенной больше Солнечной системы, и на столько последняя больше собаки. Соответственно, время существования такой Вселенной тоже должно быть на 13 порядков больше, чем возраст нашей, — иначе свет далеких звезд не успеет дойти до наблюдателя.

Единицы измерения, используемые в книге

Физики — очень упрямые люди: внедрить в их среду систему единиц СИ не удалось и, видимо, уже не удастся, поэтому и мы будем пользоваться сантиметрами, граммами, эргами. Энергию частиц физики измеряют в электронвольтах (эВ) (1,6·10 -12эрг), мегаэлектронвольтах (МэВ), гигаэлектронвольтах (ГэВ) и т.п. Причем в этих же единицах измеряется и масса частиц. Как так? Да просто используется знаменитая формула E = mc 2, и скорость света полагается равной единице. Вообще, эквивалентность массы и энергии в книге используется весьма активно в надежде, что читатель к этому привык либо быстро привыкнет. Кстати, температура тоже часто измеряется в эВ или ГэВ. А может быть, и в эргах. Достаточно вспомнить, что температура пропорциональна энергии, приходящаяся на степень свободы частицы в веществе, а в чем эту энергию измерять — дело вкуса.