Древнее ремесло астрономии под натиском практических нужд и "инстинкта гносеологии" переживает ныне пору ренессанса. Астрофизика бок о бок с биофизикой, геофизикой, психофизикой и т.п. на наших глазах превращается в экспериментальный штаб физики фундаментальной. О том, в результате каких открытий последних лет наука о происхождении Вселенной - космология утратила привкус метафизики (доминанту своего родства с философией и телеологией), войдя в число дисциплин, опытно подтверждающих теории Мироустройства на его нано- и гигауровнях, и пойдет здесь речь. Но невозможно рассказать понятно о космологических новациях, не развернув перед читателем беглого очерка достижений и проблем астрономии, не дав ясных описаний основных ее понятий и методов. С этого и начнем. Что же именно вооруженный физическим инструментом астроном твердо знает о невообразимо далеких объектах, и какие гипотезы о них требуют новых данных или принципиально новых подходов?

МАСШТАБЫ ВСЕЛЕННОЙ И СПОСОБЫ ИХ ОЦЕНКИ

Со школьных лет помнится, что Земля и все планеты Солнечной системы с Солнцем "во главе" являются частью огромной семьи звезд по имени Галактика. На небесную сферу наша изрядно уплощенная Галактика проецируется в виде известного всем Млечного Пути. Видимая невооруженным глазом Андромеда - наиближайшая к нам спиральная галактика, также состоящая из десятков миллиардов звезд (все звездные системы, кроме нашей, принято именовать галактиками с малой буквы). Свет от Андромеды (кодовое имя М31) идет к нам 2 300 000 лет, то есть мы видим ее, какой она была более двух миллионов лет назад. М31, Галактика и еще 3 десятка галактик поменьше входят в так называемую Местную группу, та - в Скопление галактик в Деве. Система подобных скоплений образует, в свою очередь, Местное сверхскопление. На том иерархическое дробление звездных образований заканчивается: все инструментально регистрируемые сверхскопления и образуют физически доступную нам в наблюдениях Вселенную. Имя ей - Метагалактика. Возраст - 14 миллиардов лет, и, по современным представлениям, занимает она сферический объем радиусом никак не меньшим 14 миллиардов световых лет. За единицу измерения расстояния в астрономии принят пк - парсек (от слов "параллакс" и "секунда"). Масштабы Галактики удобнее выражать в кпк - килопарсеках, а для Местной группы более подходят Мпк - уже миллионы пк (Метагалактика простирается "ныне" на десяток Гпк - миллиардов пк). Нет уже у астрофизиков сомнений в том, что "бесконечная и вечная Вселенная" - метафора, у нашей Метагалактики возраст конечный, начало свое она берет от Большого взрыва и постоянно расширяется.
Как же, живя не более века, имея неточные звездные хроники за тысячу лет (и точные - за сто) и победив физически лишь расстояние до Луны, дерзает человек заявлять нечто о миллиардах лет "длин и времен"? Опираясь на закон физики и методы, на этих законах основанные. Информацию о звездных расстояниях и о процессах, в звездах идущих, доносит до нас свет, точнее электромагнитное излучение, в громадном диапазоне длин волн (в миллионы раз более широком, чем видимый глазу оптический диапазон, с которого начиналась измерительная астрономия) - от радиоволн до жесткого рентгена космических лучей. Эффектов, благодаря которым точно оценивают расстояния, несколько. Для внутригалактических оценок подходит эффект параллакса звезды - замер полугодового углового смещения "близкого объекта" на фоне "далеких неподвижных объектов". Современные компьютерные методы и вынос измерительной аппаратуры в космос позволили с 10-процентной ошибкой измерять этим геометрическим способом расстояния до 100 пк.

ТЕЛЕСКОПЫ, ТЕХНОЛОГИИ, ПРОЕКТЫ

На протяжении XX столетия шла успешная борьба за повышение точности измерений - диаметры линз телескопов-рефракторов и зеркал рефлекторов выросли на порядок. Если к 1984 году телескопов с зеркалом больше 3,5 метра в мире было всего 9, то сегодня их уже 34, и среди них такие гиганты, как изображенный на снимке один из четырех 8-метровых рефлекторов Европейской южной обсерватории (она расположена в горной пустыне Чили на высоте более 2 километров). Заканчивается реализация проекта, по которому эти четыре зеркала объединят в комплекс - интерферометр, в результате будет достигнуто значительное увеличение разрешающей способности "суперинструмента". В США разрабатывается проект 30-метрового оптического телескопа (!), а диаметры тарелок радиотелескопов уже давно перешагнули за 100 метров (например, кольцо телескопа РАТАН имеет диаметр 600 метров).
Если в начале ХХ века только 1% света звезды удавалось использовать для измерений, то теперь, благодаря фотоприемникам с зарядовой связью, эффективность рефлекторов выше 99%. Отслужив свой век (буквально), стали уже историей астрономии фотопластинки астрографов и коронографов, их заменили новейшие CCD-матрицы, оцифровывающие изображение экспонируемого объекта с высочайшей точностью и стабильностью. Учет и компенсация деформации зеркал и турбулентности атмосферы методами адаптивной оптики под контролем микропроцессоров увеличили качество астрономических снимков. Другой способ борьбы с атмосферными помехами - вынесение инструмента за пределы атмосферы. Так, с 1990 года в космосе успешно работает 2,4-метровый телескоп имени Хаббла: с его помощью удалось найти, например, планету с атмосферой, содержащей натрий, на расстоянии приблизительно 50 пк у звезды в созвездии Пегаса. В 2010 году его должен сменить на орбите 6-метровый телескоп нового поколения. Подобные космические проекты сотни миллионов долларов стоимостью уже сегодня позволяют вести наблюдения в рентгене и ультрафиолете, что абсолютно неэффективно со дна атмосферного океана и даже с гор.
Революцией в астрофизике был единодушно назван феномен так называемого разбегания галактик, изученный с помощью эффекта Доплера тем самым Э. Хабблом (1889-1953), причем эффект позволил оценить скорости разбегания. Доплеровский эффект описан в школьной физике, он состоит в изменении регистрируемой наблюдателем длины волны источника колебаний при относительном движении наблюдателя и источника. При их сближении волна укорачивается, а при удалении - удлиняется. Открытый Хабблом закон связывает скорости галактик с расстоянием до них величиной "покраснения" (сдвигом линий спектра к длинноволновому его концу) лучей. К космологической значимости этого феномена мы еще вернемся при разборе динамических моделей Мира. К настоящему моменту с помощью эффекта Доплера удалось надежно обнаружить примерно у ста ближайших к нам звезд планетные системы. Западный проект "Darvin" ставит цель найти на планетах органическую жизнь (как высока должна быть точность анализа спектров!). Однако от тематики инженерной обратимся к теориям мироустройства, к космологическим моделям и гипотезам.

КОСМОТЕОРИИ - ЭЙНШТЕЙН, ФРИДМАН, ГАМОВ

В 1915 году была опубликована работа А. Эйнштейна по общей теории относительности (ОТО), ставшая ключевой вехой на пути выхода классической физики из кризиса, осознанного к концу XIX века. ОТО создана как обобщение механики и теории тяготения Ньютона на случаи околосветовых скоростей и сильных полей гравитации. А стало быть, именно ОТО могла претендовать на роль модели Мира в целом, так как не требовала ограничений на скорость космических объектов и на величину их гравитационного потенциала. При всем изяществе найденного Эйнштейном решения проблемы ее математическая сложность была такова, что все космологические следствия предложенных автором уравнений ОТО не сразу были осмыслены и единым образом истолкованы. С анализом формальных следствий ОТО для модели Вселенной блестяще справился в 1922-1924 годах российский физик А.А. Фридман. Он нашел все решения уравнений ОТО и дал им исчерпывающее истолкование. В 1923-м Эйнштейн в краткой статье признал правоту выводов Фридмана. Последний описал динамику расширения Вселенной (сначала применительно к сферической неевклидовой геометрии Мира, а в 1924 году - для гиперболической геометрии Н.И. Лобачевского). В 1932-м Эйнштейн и де Ситтер, развивая фридмановскую модель, нашли третий вариант решения для расширяющейся Вселенной - с квазиевклидовым 3-мерным пространством. Но точный ответ на вопрос: "В пространстве какой глобальной геометрии мы живем?" до сих не получен, хотя упомянутые выше эксперименты Хаббла и все новейшие исследования показали, что наша Метагалактика расширяется, причем с ускорением. Это открытие двух больших групп астрономов в 1998-1999 годах сделано на основе изучения вспышек полусотни предельно далеких сверхновых звезд типа 1а и называется Новейшая космологическая революция. Ускоряющееся и неограниченное расширение по сути означает опытное подтверждение модели "горячей Вселенной" и дает физическое истолкование так называемому "космологическому члeну" уравнений ОТО. Это он в виде антигравитационного воздействия космического вакуума на частицы и поля, как раз и "расталкивает" галактики, преодолевая силы тяготения.
Другой ключевой точкой согласования теорий стало следствие гипотезы "горячей Вселенной" - в виде наличия в Космосе повсюду равномерного фона излучения, сопровождавшего 14 миллиардов лет назад Большой взрыв при рождении Метагалактики. Это остаточное излучение, которое И.С. Шкловский предложил называть реликтовым, было блестяще предсказано в 1948 году русским физиком Г.А. Гамовым (1904-1968, ученик А.А. Фридмана и друг Л.Д. Ландау, члeн-корреспондент Академии наук СССР, он покинул СССР в 1933 году, работал в США), а экспериментально было обнаружено в 1965-м. Гамову в 1950 году удалось даже практически правильно предсказать температуру реликтового излучения. Ныне она точно оценена в 3±0,1°К, а само излучение имеет длину волны 1,5 миллиметра. Однородность и изотропность реликтового излучения позволяет использовать его как весьма удобную систему отсчета для определения скорости движения нашей Солнечной системы в Галактике и движения последней в Метагалактике. Подведём итоги экскурса в теорию: 1) гипотеза однородной, бесконечной, покоящейся, "вспять и впредь" вечной Вселенной астрофизического подтверждения не имеет; 2) наблюдения достоверно показали адекватность модели Большого взрыва с необратимым расширением Метагалактики; 3) феномен реликтового излучения в деталях согласуется с выводами теории Большого взрыва; 4) Метагалактика расширяется ускоренно, то есть существует источник силы, постоянно действующей на все ее тяготеющие массы, и он мощнее сил гравитации - этот источник назван космическим вакуумом. Электронные программы по расчету перемотки асинхронных электродвигателей; 5) скорее всего, локальная геометрия Мира - евклидова, о глобальной - не знаем.

КОСМОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ

Во второй половине ушедшего века были открыты необычайно интересные астрофизические объекты, которые принято объединять эпитетом космологические, поскольку объяснение их природы значительно продвинуло понимание физической картины, как в масштабах Метагалактики, так и на уровне взаимодействия полей и частиц. Это пульсары, квазары, нейтронные и коллапсировавшие звезды (последние теперь именуют чёрными дырами). Нейтронные звезды - это небольшие по размеру (с десяток километров в диаметре), но сверхплотные (более 100 млн. т/смі) образования, состоящие из нейтронной плазмы. Возможность существования устойчивых нейтронных звезд была предсказана в 1932 году выдающимся советским физиком Л.Д. Ландау сразу же после открытия нейтрона. По современным представлениям, такая звезда - остаток взрыва сверхновой, она имеет период осевого вращения в тысячные доли секунды, обладая очень большим магнитным полем. Нейтронная звезда с подобными свойствами представляет собой строго периодический (с периодом в доли секунды) источник импульсного электромагнитного излучения громадной мощности и называется пульсаром либо радиопульсаром. Первые радиопульсары были обнаружены в 1967 году. Если же масса нейтронной звезды превышает некоторое пороговое значение, эта звезда превращается в чёрную дыру - объект с совершенно фантастическими свойствами. Подобные объекты сами не должны излучать ни в одном из диапазонов спектра, поскольку они обладают при заданной массе столь малым радиусом, что сила гравитации не дает вырваться из внутренней части дыры ни материальным частицам, ни излучениям любой длины волны. Изнутри наружу нельзя послать никакого сигнала. Согласно теории, даже время ведет себя иначе для наблюдателя по разные стороны ее сферы. Погружение некоего тела в такую дыру внешний наблюдатель увидит как замедляющийся до нулевой скорости процесс, в то время как наблюдатель по другую сторону сферической границы не обнаружит никакого замедления времени, но "зато заметит", что мир наружный начнет меняться всё более и более ускоренно: за конечный интервал он увидит бесконечно далекое будущее Мира внешнего, куда ему ни при каком условии не удастся вернуться и откуда нельзя послать наружу весточку об увиденном грядущем. Вот она, машина времени! Такого рода "темная звезда" была описана в самом конце XVIII века П. Лапласом и Д. Митчеллом задолго до ОТО в терминах ньютоновской физики. Наша Земля могла бы стать "дырой", если бы некий "космический пресс" сжал ее со всей теперешней массой до шарика радиусом в 9 миллиметров. При этом плотность ее стала бы чудовищной: 2х1027 г/см3, что на 13 десятичных порядков выше плотности ядра атома (!). Именно подобная сверхплотность, не достижимая в физическом эксперименте, рождала скептицизм по поводу реальности чёрных дыр. Лишь после каскада открытий - квазаров в 1963 году, затем пульсаров - скепсис сменился волной всеобщего энтузиазма. В осторожной формулировке итог поиска "странных" объектов таков: сегодня известно более сотни "кандидатов на статус чёрных дыр". Это объекты от размеров нейтронной звезды до сверхмассивных ядер галактик - подобный в результате наблюдений 1992-2002 годов найден и в ядре нашей Галактики.

ВАКУУМ И АНТИГРАВИТАЦИЯ

Понятие "вакуум" в современной физике крайне актуально. Нужды независимых теоретических исследований в космологии и хромодинамике (физике кварков) таковы, что постоянно приходится уточнять, какой имеется в виду: первичный, космический или физический. Попробуем в этом разобраться. Сопоставление оценок скорости разбегания галактик и их предполагаемой массы порождает альтернативу такого рода: либо неверна ОТО, либо 96% тяготеющей массы Вселенной "ускользает" от наблюдения. Но тезисы ОТО подтверждены рядом независимых опытных следствий: например, с точностью, многократно превышающей ошибку измерения, оценена степень отклонения светового луча при прохождении его мимо тела большой массы. Луч "ведет себя" сообразно релятивистским формулам ОТО. Следовательно, надо искать в Метагалактике "невидимую" массу. На этот счет имеется обоснованное предположение, вытекающее из экспериментального факта ускоренного разбегания галактик. Но чтобы свести концы с концами, чтобы величины плотностей и скоростей для известных и неизвестных компонентов в Метагалактике были согласованы, необходимо дополнительно ввести две "новые сущности". Первая: однородно распределенный космический вакуум высокой плотности (67% всей энергии Мира), вторая: темное вещество (29%, плотность массы выражена через плотность энергии). О природе темного вещества теоретики высказываются двояко: либо это вещество, "стекающее" в чёрные дыры, либо особого вида частицы, которые еще только предстоит зарегистрировать. Но само наличие темной материи во Вселенной доказано наблюдениями за вращением галактик. Параметры этого вращения таковы, что приходится констатировать: свыше 90% галактической массы сосредоточено снаружи в невидимой короне (другое название этой структуры - гало). Существование второго компонента - космического вакуума считается ныне доказанным. Именно он ответствен за ускоренное разбегание галактик, противостоя силе гравитации. Предпочтительной выглядит ныне гипотеза о тождестве вакуума космического и физического. Последний досконально изучен в процессах взаимодействия элементарных частиц, представляя собой низшее энергетическое состояние квантовых полей. Он обладает также необходимым для космического вакуума свойством - "отрицательным гравитационным давлением", создающим антигравитацию. Большинство физиков-теоретиков сходится во мнении, что вакуум нано-Мира и мега-Мира - одной природы, стало быть, "физический" и "космический" для вакуума - синонимы. Свойства изотропности и однородности вакуума имеют следствием характер его воздействия на галактики. В объеме Местной группы он действует на ее члeнов так, как если бы сам двигался вместе с ее центром масс. Его основное динамическое свойство - "управлять" разлетом галактик единообразно и в локальном и в космологическом масштабах.
Относительно свойств первичного вакуума ожесточенные дискуссии идут лет 60, а в 1965 г. их "подогрела" гипотеза Э. Глинера: "начальным состоянием всего вещества Вселенной был первичный вакуум". В дальнейшем гипотеза трансформировалась в теорию инфляции, цель которой - объяснить механизм первых мгновений Большого взрыва. Эта задача очень трудна из-за необходимости объединения разобщенных "континентов" физической теории: квантовой и релятивистской (ОТО). Тем более применительно к фантастически высоким плотностям, исчезающе малым размерам и временам. Тут до сих пор больше вопросов, чем ответов…

К ЕДИНОЙ ТЕОРИИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ. МЕТАФИЗИКА И НЕРЕШЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ

Как и в начале ХХ века, наука сегодня переживает кризис. Но ситуация уже другая. Если тогда беда была только "внутри" и заключалась в "несостоятельности простоты концепций", то теперь к беде "несостоятельности переусложненных концепций" добавилось полное безразличие общества к судьбе фундаментальной науки, усугубляемое нарастающей профанацией ее положений и дезориентирующим размыванием границ меж "поэтической тайной многочисленных взаимоисключающих вероучений" и "технически продуктивным естествознанием". Ситуация как при Вавилонском смешении народов: все языки разные, переводчиков не видно. Оптимисты же чувствуют, что от полного понимания Мира и объяснения всех Причин их отделяет "последнее усилие", "ключевой опыт"… Человечество устало вслушиваться в марсианский щебет высоколобых, не хочет от науки никаких директив, поучений и объяснений. Покуда работает телевизор и за деньги можно купить любое "счастье" по каталогу, ученый не нужен. А астрономия уже исключена из школьных программ. Тем не менее вернемся в "академические рамки". Автор не разделяет восторгов от того, что российская наука вот-вот объяснит народу Смысл и Промысел государственно-официального Бога. Сами творцы моделей Мира тоже в этом тонком месте оказываются часто не на высоте… Только в математике, полагает автор, можно время (массу, длину и т.д.) устремить к бесконечности в поисках решения задачи "без каких-либо опасений". В той физике, где есть особого рода объект по имени "наблюдатель", подобные операции могут привести к полному абсурду. В квантовой теории до сих пор не разрешены известные проблемы с наблюдателем, "его наличия следствиями для Мира" и "исходом квантово-механического эксперимента". Но неизбежен поиск пути к Великому объединению. И в смысле главнейшей и самой трудной задачи теоретической физики - к созданию единой теории взаимодействий (чему посвятил после создания ОТО все отпущенные ему годы Альберт Эйнштейн, и не только он один) и в направлении конструктивных сдвигов в синергетике, где парадигма синтеза явлена, но "ничего не происходит" за отсутствием четкой постановки задачи. По-видимому, вопрос о роли и влиянии наблюдателя первичнее проблемы первичного вакуума. Во всяком случае до тех пор, покуда метафизика не станет экспериментальным форпостом теоретической физики.