Когда в середине 20-х годов прошлого века удалось доказать, что туманности Слайфера в действительности не что иное, как огромные звездные острова, лежащие далеко за пределами Млечного Пути, дышать стало полегче. Коль скоро у объекта обнаруживаются сразу два необычных свойства – аномальная скорость и нетипичное местоположение, – можно рассчитывать, что между ними существует какая-то связь. Работу Слайфера продолжили другие астрономы, и через короткое время у них в руках уже был внушительный список внегалактических туманностей с различными показателями красного смещения. Впервые удача улыбнулась в 1929 году нашему старому знакомцу Эдвину Хабблу, который вообще-то был юристом по образованию, а астрономией увлекся позже. Сравнивая между собой скорости галактик, он обнаружил простую закономерность: чем дальше та или иная галактика расположена, тем быстрее она от нас удаляется. Другими словами, скорости галактик прямо пропорциональны их расстоянию от земного наблюдателя, что выражается соотношением V = Hr, где V – скорость удаления, r – расстояние от галактики до Земли, а Н – коэффициент пропорциональности, впоследствии получивший название постоянной Хаббла по первой букве его фамилии (Hubble).

Надо сказать, что Хабблу крупно повезло. Свой закон он вывел из наблюдения за галактиками, отстоящими от нас всего на 1–2 миллиона парсек (мегапарсек, или Мпк), тогда как сегодня известно, что на таких сравнительно небольших расстояниях его закон работает, мягко говоря, неважно, поскольку близкие галактики «повязаны» силами гравитации. Предположив, что самые яркие звезды других галактик (сверхновые и новые) имеют примерно одинаковую светимость, он сравнивал их усредненную абсолютную звездную величину с видимым блеском и в результате получил очень большую величину коэффициента – порядка 400–500 километров в секунду на мегапарсек. Вдобавок, в то время расстояния до ближайших галактик были вычислены очень неточно: когда в середине прошлого века пересмотрели шкалу межгалактических расстояний, ближайшие галактики пришлось отодвинуть вдвое дальше, а самые далекие увеличили свой «отрыв» в 6–7 раз. Стоит ли после этого удивляться, что Хаббл ошибся в своих расчетах почти на порядок? Сегодняшнее значение его постоянной, вычисленное на основе современных методик и с помощью весьма чувствительной аппаратуры вроде орбитального зонда Уилкинсона, составляет 71 километр в секунду на мегапарсек.

Следует иметь в виду, что галактики движутся хаотически, в самых разных направлениях, в том числе и поперек луча зрения. Понятно, что такие собственные их скорости, получившие название пекулярных, не должны приниматься во внимание. Закон Хаббла работает только с радиальными скоростями, усредненными по большому числу галактик, находящихся на одинаковом расстоянии от нас. Именно по этой причине он практически не годится для близких галактик, так как их лучевые скорости сравнительно невелики. Поэтому необходимо отделить скорость, обусловленную хаббловским удалением, от индивидуальной (пекулярной) лучевой скорости, которая может быть весьма значительной. Например, Местная группа летит как единое целое в сторону скопления Центавра со скоростью свыше 600 километров в секунду. А вот чем дальше находится та или иная галактика, тем больше ее хаббловская лучевая скорость и тем меньший вклад в ее значение вносит индивидуальная скорость галактики. Таким образом, надежнее всего закон Хаббла выполняется на расстояниях свыше 200 Мпк (200 миллионов парсек), а для определения расстояний до близких галактик лучше пользоваться цефеид ной шкалой.

Казалось бы, самые точные значения расстояний закон Хаббла должен давать для самых далеких галактик, однако это не совсем так. Дело в том, что величина красного смещения у далеких объектов настолько значительна, что при расчетах дает скорость удаления, превышающую скорость света. Поэтому в расчет скоростей наиболее удаленных объектов (например, квазаров) нужно вносить поправки, предусмотренные специальной теорией относительности, и тогда формула приобретает более сложный вид (мы ее приводить не станем). Постоянная Хаббла – фундаментальная константа, и важность ее дальнейшего уточнения очевидна, поскольку она теснейшим образом связана с возрастом нашей Вселенной. Если мысленно «прокрутить» движение галактик вспять, мы придем к такому моменту, когда расстояние между ними было ничтожно малым. Вся материя стянется в точку, и Вселенная прекратит свое существование в нынешнем виде. Собственно говоря, исследования Хаббла вместе с работами Фридмана, Ситтера и других теоретиков послужили отправной точкой для создания модели Большого взрыва, согласно которой у нашего мира было начало во времени. По современным данным, возраст Вселенной оценивается в 13,7 миллиарда лет.

Между прочим, из хаббловского закона проистекает любопытное соображение мировоззренческого характера. Поскольку скорость света – максимальная из всех возможных скоростей, должны существовать объекты, удаленные от нас настолько далеко, что свет, ими испущенный, никогда не достигнет земного наблюдателя. Другими словами, у астрономических наблюдений на волнах любой длины имеется некий физический предел, за который проникнуть в принципе невозможно. Неумолимые законы природы очерчивают доступную нашим приборам область идеально пустой, но непреодолимой границей, поэтому совершенно бессмысленно спрашивать, есть за роковым рубежом какие-либо объекты или их там нет. Мы их все равно никогда не увидим, ибо горизонт событий – очень важное понятие в космологии – отсекает родное «наше» от проклятого мира чистогана куда надежней железного занавеса советских времен. «Там, под облаками, – вечность», – говорил герой Сент-Экзюпери, пролетая за штурвалом ветхой этажерки над слоем сплошной облачности, под которым громоздились скалистые ребра Пиренейских гор.

Величины красного смещения, измеренные у далеких галактик и квазаров, давали настолько высокие скорости, что впору было усомниться в справедливости закона Хаббла. В 1928 году измерили лучевую скорость галактики NGC 7619 и получили результат порядка 3800 километров в секунду, а к началу 60-х годов прошлого века были обнаружены объекты, скорость которых достигала 40 тысяч километров в секунду, то есть больше 1/8 скорости света. Именно с такой скоростью удаляется от нас квазар ЗС 273, открытый в 1960 году. Но это были еще цветочки, потому что уже очень скоро, в 1965-м, нашли квазары с величиной z = 3,5 (величина z характеризует красное смещение спектральных линий). Это была чудовищная, фантастическая величина, ибо красное смещение первых квазаров не превышало 0,36 и всегда было меньше единицы. В спектрах таких квазаров наблюдаются далекие ультрафиолетовые линии, съехавшие в видимую часть спектра из-за огромного красного смещения. Если бы не феномен красного смещения, они бы никогда не обнаруживались, поскольку земная атмосфера полностью поглощает ультрафиолетовые лучи. Голландский радиоастроном Мартин Шмидт, работавший в Калифорнии и отыскавший этот уникальный квазар, вычислил, что его скорость составляет 81 % скорости света (примерно 243 тысячи километров в секунду). Со временем счет подобных объектов пошел на сотни. Самый далекий на сегодняшний день квазар найден при величине z = 6,43, из чего следует, что скорость его удаления вплотную приближается к скорости света и равняется 288 тысячам километров в секунду. Расстояние до этого квазара составляет 13 миллиардов световых лет, возраст Вселенной на момент излучения им света был равен 880 миллионам лет (в наши дни – около 14 миллиардов лет), а ее размер в ту пору не превышал 0,14 от современного. Но каким образом гигантские объекты, сопоставимые по массе с нашей Галактикой, могут перемещаться с такими фантастическими скоростями? Какая сила придает им столь невероятное ускорение? Чтобы ответить на эти вопросы, надо разобраться с физической природой красного смещения.

После того как Эдвин Хаббл сформулировал свой закон, от стационарной модели пришлось отказаться раз и навсегда. Стало ясно, что Вселенная представляет собой сложную динамическую структуру, которая непрерывно эволюционирует. Галактики разбегаются, как тараканы, когда посреди ночи зажжешь свет на кухне, причем скорость их удаления растет пропорционально расстоянию, на котором эти галактики от нас находятся. Если какая-то галактика расположена вдвое дальше от нас, чем другая, то и двигаться она будет в два раза быстрее. Кстати, следует иметь в виду, что разбегаются не звезды и даже не отдельные галактики, а скопления галактик. Скажем, галактики, входящие в состав Местной группы, расставаться друг с другом не спешат. Более того, многие из них наоборот сближаются, как, например, галактика Андромеды и наш Млечный Путь, которые летят на встречных курсах со скоростью 120 километров в секунду. Дело в том, что расширение Вселенной как целого не сказывается (если говорить совсем строго – практически не сказывается) на движении объектов, связанных силами гравитации в единую систему. Местная группа как раз является такой гравитационно устойчивой системой.

Но если скорость разбегания далеких галактик прямо пропорциональна расстоянию до них и подобная картина удручающе однообразна, в какую сторону ни посмотри, возникает резонный вопрос: не находимся ли мы в таком случае в центре Вселенной? Если Солнечной системе в этом смысле откровенно не повезло (как известно, она прозябает на задворках Млечного Пути), тогда, быть может, хотя бы наша Галактика является центром мироздания? Такой вывод наверняка многим согрел бы душу, потому что антропоцентризм сидит у нас в печенках. Увы, придется вас, читатель, разочаровать: первая особенность глобального расширения Вселенной как раз в том и заключается, что оно не имеет выделенного центра. Это понимал еще Фридман, когда предложил на суд почтеннейшей публики свою модель. Он исходил из двух очевидных посылок: во-первых, Вселенная изотропна и однородна на больших расстояниях, а во-вторых, то же самое утверждение справедливо для любой другой ее точки. Иными словами, в какой бы из галактик ни оказался наблюдатель, он всюду увидит удивительную картину расширяющейся Вселенной, а его собственная галактика покажется ему неподвижным центром мира.

Сказанное легко пояснить на примере. Если взять резиновый шнурок с завязанными на нем узелками и растянуть его, предположим, вдвое или втрое, то расстояние между парой соседних узлов увеличится в точно такое же количество раз. Если же выбрать один узелок в качестве точки отсчета, то скорость удаления других узлов будет расти прямо пропорционально расстоянию до них. Можно обратиться и к двумерной модели. Возьмем детский воздушный шарик и нанесем на его поверхность метки. По мере надувания шарика метки станут расползаться в разные стороны, но при этом ни одна из них не будет занимать привилегированного центрального положения, а расстояния между ними начнут расти согласно все тому же пропорциональному закону. Итак, первая особенность расширения заключается в том, что все его субъекты (то есть галактики) совершенно равноправны, а выделенный центр, от которого они разбегаются, отсутствует.

Вторая особенность расширения нам уже знакома. Не только сами галактики (не говоря уже об отдельных звездах или планетах), но даже их скопления представляют собой стабильные системы, повязанные силами гравитации, поэтому расширение Вселенной их не затрагивает. При растягивании резинового шнура расстояния между узелками растут, но вовсе не потому, что они скользят вдоль нити. Все дело только лишь в упругих свойствах резины, а сами узлы бежать никуда не думают.

Отсюда вытекает и третья особенность расширения Вселенной. Его нередко представляют как разбегание галактик в пространстве, что совершенно неверно, поскольку в данном случае отсутствует движение «чего-то в чем-то». Можно сказать, что это распухание самого пространства, хотя и такое утверждение будет всего лишь метафорой, потому что пространство Вселенной не расширяется в некий внешний по отношению к нему объем. Если воспользоваться терминологией Иммануила Канта, это расширение пространства an sich, то есть в себе самом. Вообразить наглядно подобное невозможно, ибо для этого пришлось бы нарисовать замкнутую на себя сферу в четвертом пространственном измерении.

Таким образом, из эпохального открытия Хаббла и работ физиков-теоретиков следовало, что наша Вселенная, по всей вероятности, имеет конечный объем и родилась в некий нуль-пункт времени. Или, если говорить более строго, в точке «ноль» произошло рождение тройни, ибо материя, пространство и время не могут существовать порознь. Остается разобраться, как именно развивались события в этой особой сингулярной точке. Впервые этим вопросом всерьез озаботился бельгийский астроном Жорж Эдуард Леметр, который в 1927 году высказал предположение, что в нуль-пункт времени вещество и энергия будущей Вселенной представляли собой некий сверхплотный сгусток – своего рода «космическое яйцо». В силу неизвестных причин случился катастрофический взрыв, разметавший материю во все стороны, и осколки этого всемирного катаклизма мы наблюдаем до сих пор в виде разбегания галактик. Леметровская модель Вселенной была физической аналогией теоретических выкладок Фридмана или Ситтера, но при этом оказалась проще и понятнее абстрактных построений высоколобых математиков. Поэтому английский астрофизик Артур Стэнли Эддингтон сделался ее рьяным пропагандистом, а через некоторое время ее охотно взял на вооружение и основательно развил американский ученый русского происхождения Георгий Антонович Гамов. С его легкой руки нестационарная модель горячей Вселенной получила название теории Большого взрыва и после неизбежной, но необходимой ретуши остается в большом ходу до сих пор. Гамов предложил свой сценарий в 1948 году вместе с коллегами Альфером и Бете, что говорит о хорошем чувстве юмора Георгия Антоновича, поскольку фамилии Альфер, Бете и Гамов удивительно напоминают первые буквы греческого алфавита. Иногда теорию Гамова называют а, р, у-теорией, на что, по-видимому, он и рассчитывал.

Судя по выкладкам Гамова, температура и плотность внутри «космического яйца» должны были превосходить все мыслимые пределы, но уже через одну минуту после Большого взрыва температура упала до 10⁹—10¹⁰ градусов Кельвина, а протоны и нейтроны, оставшиеся после аннигиляции с антипротонами и антинейтронами (об этом подробнее будет рассказано ниже), начали объединяться в ядра дейтерия, трития, гелия и лития. Этот процесс получил название первичного нуклеосинтеза, и Гамов сумел показать, что наблюдаемое сегодня соотношение водорода и гелия (примерно 75 и 25 % соответственно) возникло в первые же секунды после Большого взрыва. По его расчетам, звезды за все время существования Вселенной не могли «наработать» более 1 % гелия, что совсем не похоже на те 24–25 %, о которых недвусмысленно говорят астрономические наблюдения. Таким образом, теория горячей Вселенной получила еще один дополнительный аргумент в свою пользу.

Все это очень хорошо и даже замечательно, но настало время взять негодяев к ногтю и жестко спросить в духе Михаила Жванецкого: а почему, собственно? Почему не знавшее горя и печали «космическое яйцо» вдруг сделалось нестабильным и взорвалось? Неужели это такая чуточная эфемерида, которая рассыпается в пыль от малейшего прикосновения? Если же «яйцо» было все-таки устойчивой структурой, безбедно прожившей многие миллиарды лет, то следует внятно объяснить, какие неведомые силы подвигли бедняжку проделать череду внезапных метаморфоз.

Вопросы, что и говорить, архитрудные, поэтому физики-теоретики предложили в свое время немало моделей, в которых не мытьем, так катаньем пытались свести концы с концами. Вот, например, так называемый гиперболический сценарий: Вселенная изначально представляла собой облако чрезвычайно разреженного газа, который постепенно конденсировался и разогревался под влиянием гравитационных сил. Когда газ стянулся в плотный сгусток, центробежное действие высокой температуры и давления переломило гравитационное сжатие и вещество юной Вселенной брызнуло во все стороны, подобно тому как струя горячего пара вылетает из-под притертой крышки чайника, стоящего на огне. Таким образом, Вселенная начинает свою жизнь почти в абсолютном вакууме, а потом, перешагнув фазу максимальной плотности, вновь возвращается в состояние пустоты. Гиперболическая Вселенная описывается геометрией Римана, а ее радиус кривизны колеблется в широких пределах – от минимума в период сжатия до максимума в период расширения. Она начинается с пустоты и кончается пустотой, а стадия «космического яйца» оказывается коротким промежуточным этапом на фоне необратимых полярных перемен. Минусом такой модели оказываются необратимые состояния, разнесенные по разным концам временной шкалы.

Гипотеза пульсирующей Вселенной лишена этих недостатков. Она практически совпадает со вторым решением уравнений Фридмана (см. выше) и представляет собой вечный колебательный процесс между состоянием сверхвысокой плотности и фазой максимального расширения. Когда силы всемирного тяготения (при условии, что средняя плотность материи выше критической плотности) остановят разлет галактик, красное смещение поменяется на фиолетовое и галактики вновь устремятся друг к другу в объятия. Химические реакции тоже поменяют свой знак, и тяжелые элементы начнут распадаться на более простые. Другими словами, когда Вселенная опять сожмется в точку, она вновь будет состоять из одного водорода.

Если исходить из современных представлений, Вселенная после своего рождения из сингулярности пережила кратковременный этап сверхбыстрого раздувания – так называемый инфляционный период (речь о нем пойдет в следующей главе). После окончания инфляции она перешла в режим пропорционального хаббловского расширения, каковой переход и воспринимается нами как Большой взрыв. На рубеже этих двух эпох загадочное поле с отрицательным давлением, управляющее не менее загадочной инфляцией, приказало долго жить, а высвободившаяся энергия породила кипящий бульон элементарных частиц, что и разогрело новорожденную Вселенную до запредельных температур.

Однако модели моделями, но все же хотелось бы чего-нибудь более реального, что можно пощупать руками. Красное смещение, бесспорно, о многом заставляет задуматься, но это всего лишь геометрия, к тому же не очень простая для понимания. А вот если бы удалось отыскать некий материальный след горячего начала Вселенной, тогда был бы совсем другой разговор. Г. А. Гамов, автор теории Большого взрыва, еще в конце 40-х годов прошлого века предсказывал, что Вселенная должна быть равномерно заполнена радиоизлучением миллиметрового диапазона с температурой от 25 до 5 градусов Кельвина. Дело оставалось за малым – обнаружить такое излучение.

В 1964 году американские физики Арно Пензиас и Роберт Вильсон, сотрудники лаборатории Белла, испытывали самый чувствительный на тот момент детектор сверхвысокочастотных волн (СВЧ-детектор). Справедливости ради следует сказать, что они не искали некое неведомое радиоизлучение, а занимались отладкой аппаратуры для работы по программе спутниковой связи. Для тестирования была выбрана волна длиной 7,35 сантиметра, на которой не излучал ни один из известных источников. Антенна, имевшаяся в распоряжении Пензиаса и Вильсона, была замечательная, и поэтому они были крайне удивлены, когда обнаружили, что она постоянно фиксирует посторонний радиошум, от которого никак не удавалось избавиться. Этот шум был монотонным и ровным и не зависел ни от направления антенны, ни от времени суток, следовательно, его источник должен располагаться за пределами земной атмосферы. Более того, он не менялся даже в течение года (а ведь Земля летит по орбите вокруг Солнца), из чего следовало заключить, что источник излучения находится не только за пределами Солнечной системы, но и за пределами Галактики, поскольку по мере движения Земли детектор меняет ориентацию в пространстве. По иронии судьбы, два других американца, Роберт Дикке и Джим Пиблс, готовились искать фоновое изотропное излучение с температурой ниже 10 градусов Кельвина вполне целенаправленно, но Пензиас и Вильсон, оперативно сообразив, что к чему, сообщили о своих результатах раньше. Стивен Хокинг пишет по этому поводу:

Впоследствии микроволновое фоновое излучение удалось зарегистрировать и на других длинах волн – от 0,5 миллиметра до нескольких десятков сантиметров.

Итог многолетних наблюдений сводился к тому, что оно имеет тепловую природу и соответствует излучению абсолютно черного тела при температуре 2,7 градуса Кельвина (точное современное значение – 2,725 К). Его спектр не похож на спектр излучения звезд, радиогалактик и других возможных источников, а его интенсивность практически идентична при наблюдении разных участков небесной сферы, то есть оно изотропно и однородно, что и требовалось доказать. Советский астрофизик И. С. Шкловский предложил назвать загадочное излучение «реликтовым», и с тех пор этот термин широко применяется, хотя официальное его название – космический микроволновый фон.

Что же такое реликтовое излучение и откуда оно взялось? Когда около 14 миллиардов лет назад в результате чудовищного взрыва родились пространство, время и материя, Вселенная поначалу была кипящим супом из протонов, электронов, фотонов (световых квантов) и нейтрино, которые бурно взаимодействовали между собой. Все пространство новорожденной Вселенной было заполнено сплошной непрозрачной средой в виде высокотемпературной ионизованной плазмы. По мере расширения Вселенной температура падала, и когда она опустилась до 3000 градусов Кельвина, стало возможным образование стабильных атомов. Произошло, как говорят астрофизики, отделение излучения от вещества, потому что оно практически не взаимодействует с нейтральными атомами. Вселенная стала прозрачной для излучения, и оно получило возможность распространяться свободно. Иногда этот момент называют эпохой последнего рассеяния. Температура излучения продолжала понижаться в ходе дальнейшего расширения Вселенной, но его спектр сохранился без изменений до наших дней как напоминание о горячих деньках нашего мира. Вот эти остатки былой роскоши и обнаружили будущие нобелевские лауреаты.

Не будет преувеличением сказать, что открытие микроволнового фона имело фундаментальное значение и по своей важности вполне сопоставимо с открытием расширения Вселенной. В крышку стационарной модели был забит последний гвоздь. Во второй половине XX века горячая модель Большого взрыва превратилась в солидную полноправную теорию. Академик Я. Б. Зельдович так сказал об этом в 1984 году: