© Александр Потупа (Alexander Potupa)
Открытие Вселенной — прошлое, настоящее, будущее, Юнацтва, Минск, 1991 (Discovery of the Universe — Past, Present, Future)

ЧАСТЬ   II: КОСМОЛОГИЧЕСКИЙ СЦЕНАРИЙ

Глава 8:  НЕЧТО НЕОБЫЧНОЕ

В старых небылицах рассказывается много ложного о драконах, Например, утверждается, что драконы имеют иной раз до семи голов. Этого никогда не бывает. Дракон может иметь только одну голову...

Станислав Лем

 

ЗНАМЕНИТЫЕ ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ

В истории науки трудно найти объекты с такой судьбой, как у черных дыр. Предсказаны они были давно и в довольно общей форме, но потом более ста лет никто не обращал на них внимания.

В 1796 году в первом издании «Изложения системы мира» Лаплас, рассказывая о необычных для того времени звездных феноменах, в частности, о новых звездах, писал:
«Какие же поразительные перемены должны происходить на этих огромных телах, чтобы они могли наблюдаться из такой дали! Подумайте, насколько они должны превосходить все, что мы видим на поверхности Солнца, и как убедительно они доказывают, что природа не повсюду и не всегда остается одной и той же. Все подобные звезды, которые позже вновь становились невидимыми, за то же время, пока мы могли их наблюдать, оставались на том же самом месте; итак в пространстве существуют огромные тела, возможно, столь же многочисленные, как и звезды».

Далее следует прямое предсказание*: «Светящееся небесное тело, обладающее плотностью, равной плотности Земли, и диаметром, в 250 раз превосходящим диаметр Солнца, из-за силы своего притяжения не даст своему свету достигнуть нас. Таким образом, возможно, что самые большие светящиеся тела во Вселенной именно по причине своей величины остаются невидимыми». Иными словами, речь идет об объекте, для которого вторая космическая скорость превышает скорость света. Для гигантской лапласовской звезды, чей радиус (174 млн. км) на 16 % превышает средний радиус земной орбиты, а масса (1,22^.10⁴¹ г) — в 61 миллион раз массу Солнца, действительно v_отрыва u с **.

* Вероятно, первое достаточно четкое предсказание черных дыр было сделано все-таки Джоном Майклом из Кембриджа еще в статье, направленной в 1783 г. в «Философские труды Лондонского Королевского Общества».

** Для оценки использовались современные данные о средней плотности Земли (½_ã= 5,517 г/см³) и радиусе Солнца (R_? = 6,96^.10⁵ км). Чтобы тело, запущенное с поверхности планеты или

 звезды, могло уйти в космос, его полная энергия должна быть неотрицательна ( Е =mv² – GmM/R r 0), то есть скорость не должна быть меньше скорости отрыва (в земных условиях ее часто называют второй космической): v_отрыва = √2GM/R = √8π½R²/3, где М — масса звезды, (½ — ее средняя плотность, R — радиус. Если v_отрыва = с, то плотность звезды связана с радиусом так называемым предельным соотношением Шварцшильда ½ = 3c²/8πGR².

Такая звезда не выпускает света, и издали ее невозможно увидеть. Любое тело, однажды попав на поверхность этой звезды, никогда бы оттуда не вырвалось. За эти ловушечные свойства звезды подобного типа впоследствии и были названы черными дырами — они все поглощают и ничего не выпускают.

Интересно, что Лаплас предсказал не просто особый класс космического населения, он рассматривал свои гиганты как конечную стадию эволюции новых звезд и был, в общем, недалек от истины. Но все-таки гипотеза о суперзвездах, заглатывающих собственный свет, поразила воображение и самого автора. В третьем (1808) и последующих трех изданиях «Изложения системы мира» он попросту исключает ее из текста.

И очередного теоретического открытия черных дыр приходится ожидать целых 140 лет!

Произошло это открытие в статье американских физиков Р. Оппенгеймера и Г. Снайдера «О безграничном гравитационном сжатии», опубликованной в 1939 году. Рассматривая конечную стадию эволюции очень массивной звезды, исчерпавшей источники термоядерной энергии, авторы показали, что под действием тяготения вещество звезды непрерывно и безостановочно сжимается. При этом для внешнего наблюдателя картина такова, что радиус звезды стремится к пределу, полностью определяемому ее массой. Этот предел совпадает с гравитационным
радиусом R_g = 2GM/c² *. Коллапсирующая звезда за время порядка t_g ~ R_g/c достигает размера R_g и практически перестает излучать. Это и есть черная дыра.

*Черные дыры — сугубо релятивистские объекты, строго говоря, вне общей теории относительности рассматривать их нельзя. Однако кое-какие свойства черных дыр качественно получаются и в нерелятивистской механике — это и было неявно использовано Майклом и Лапласом.

 

Наблюдатель, попавший, к своему несчастью, на ее поверхность, видит нечто совсем иное. За конечное и весьма небольшое время (разумеется, по часам внутреннего наблюдателя: t ~ √ 3/8πG½(0), где ½(0) — начальная плотность звезды) он попадает вместе с окружающим его веществом в центр звезды. Это очень похоже на космологическую ситуацию. Если отождествить Вселенную при современной очень маленькой средней плотности с внутренностью черной дыры, то сжатие в точку, при котором мы поневоле стали бы сопутствующими веществу наблюдателями, заняло бы как раз космологический промежуток времени порядка 10¹⁷ с. Разумеется, разогрев вещества привел бы к гибели наблюдателя. Но произошло бы это очень не скоро. В случае звезды Оппенгеймера-Снайдера из-за очень высокой начальной плотности (близкой к плотности атомного ядра) все разыгралось бы гораздо быстрее. Примерно за 10^-5 с наблюдатель мог бы просмотреть интереснейшую ленту с историей первых мгновений после Первовзрыва, прокрученную в обратном направлении, однако условия просмотра вряд ли стимулировали бы его исследовательское любопытство. Кроме того, у него нет никаких средств для передачи информации во внешний мир – черная дыра не выпускает сигналов.

Итак, в результате коллапса звезда как бы застывает – извне она воспринимается как совершенно темный объект, характеризующийся массой, моментом количества движения (если речь идет о вращающейся звезде) и  числом барионов*. Внутри, где разыгрывается «космологическая трагедия» собственного наблюдателя, ситуация очень похожа на ту, которая имеет место во фридмановской модели – вплоть до той же проблемы Сингулярности.

*В модели Оппенгеймера-Снайдера рассматривают эволюцию звезды с массой  М Á 2.5–3 М_? .

Соответственно, здесь черная дыра – небольшой объект (R C 9÷10 км) с огромной (примерно ядерной) средней плотностью. В принципе же, можно говорить о черных дырах совершенно иных масс и плотностей, лишь бы выполнялось соотношение Шварцшильда. Стоит все-таки подчеркнуть существенное различие между пониманием черной дыры в эпоху Майкла-Лапласа и в современной теории гравитации. В первом случае, ограниченном представлениями ньютоновой механики – это сверхплотная звезда, не выпускающая свет. Во второй – это особая область пространства-времени, если угодно, продукт воздействия неограниченно сжимающейся материи на пространство и время.

После второго своего теоретического рождения черные дыры привлекли всеобщее внимание – особенно в 60-годы, когда открытия экзотических объектов сыпались как из рога изобилия. В силу своих особых свойств черные дыры оказались твердым орешком для астрономов – это самое скромное, что можно сказать о задаче наблюдения далеких небесных тел, лишенных собственной светимости. Их поиск довольно быстро свелся к ситуации двойной звезды с темной компонентой. В чистом виде такая постановка задачи страдает явными неопределенностями: двойных систем с темной компонентой не так уж мало, а невидимость спутника яркой звезды может быть объяснена слишком многими причинами.

Более конкретная идея связала поиск черных дыр с тесными двойными системами, когда дыра способна как бы отсасывать часть атмосферы своего яркого соседа. Струя газа, устремляясь к черной дыре, окружает ее облаком, которое постепенно оседает. Это явление называется аккрецией. Аккрецирующий газ разогревается, особенно во внутренних частях облака, так как заметная доля его потенциальной энергии переходит в тепловую. Из-за этого начинается излучение в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах.

Наблюдения рентгеновских источников начались после запуска спутника «Ухуру» и аналогичных аппаратов, снабженных специальными регистрирующими устройствами. Были обнаружены сотни таких источников. 18 из них отождествлены с рентгеновскими пульсарами, большинство же остальных представляют собой объекты, не похожие на пульсары или черные дыры.

Различить пульсар и черную дыру можно, лишь оценив массу. У первого она не должна превышать 3М_? (самые  оптимистические оценки – до 8М_?), иначе неизбежен

коллапс и переход в состояние черной дыры.

Благодаря этому обстоятельству и состоялось экспериментальное открытие черных дыр. Рентгеновский источник в созвездии Лебедя (Cyg X-I) связан с яркой звездой-сверхгигантом. Период яркой звезды 5.6 дня, а масса – порядка 20 М_?. Удалось

оценить и массу темной компоненты – она заключена в пределах 8-11 М_?. Кроме того,

наблюдалась хаотическая изменчивость рентгеновского потока с характерным временем порядка одной тысячной секунды, что как раз соответствует периоду обращения газового облака на расстояниях, где, согласно теории, должно иметь место максимальное энерговыделение.

Все это дает основания с большой долей уверенности говорить о регистрации черной дыры. Аналогичные объекты найдены в созвездиях Скорпиона (V 861 SCO источник ОАО 1653-40) и Циркуля (Cir X-I).

Другое менее надежное указание получено в связи с исследованием 14 импульсных рентгеновских источников с резким, в течение секунд, изменением спектра. Некоторые из них (MX 0513-40, 3 U 1820-30 и А 1850-08) надежно соотнесены с шаровыми скоплениями (NGC-1851, NGC-6625, NGC-6712, соответственно). В этом случае довольно правдоподобно, что в центре каждого из шаровых скоплений находится очень массивная черная дыра (М_?). Однако пока такое объяснение остается не более чем

интересной гипотезой, мы еще не достаточно ясно представляем себе законы коллективной эволюции звезд в плотных скоплениях, а также механизм формирования суперзвезд в сотни раз массивней Солнца на космогонической стадии. Есть также указания на присутствие черной дыры с М ~ 4 • 10⁶ М_? в центре нашей Галактики, а в

центре галактики М 87 — даже с М ~ 5 • 10⁹ М_?!

Если же говорить о надеждах, то черные дыры представляются чем-то очень широко распространенным во Вселенной. По идее, они должны встречаться часто и на весьма различных уровнях. В этом плане особо подозрительны ядра галактик и центры шаровых скоплений — места, где в условиях высокой концентрации вещества «сам Бог велел» создаваться сильным гравитационным полям и суперзвездам грандиозного масштаба.

В связи с этим обратим внимание вот на какие обстоятельства. Почему Лапласу пришлось изобретать монстр в 60 миллионов солнечных масс? Ответ прост. В его время представления о структуре вещества были развиты слабо, и он вряд ли мог представить себе космические объекты с плотностью атомного ядра — то, чем свободно оперировали теоретики 30-х годов 20 века, современники становления ядерной физики. Тем не менее, вплоть до открытия белых карликов и пульсаров в реальное существование сверхплотных звезд верили не слишком охотно.

Что же касается черных дыр — сейчас их высокой плотностью трудно кого-нибудь удивить. Само образование черных дыр с массой порядка 10М_? как возможной

конечной стадии звездной эволюции теперь тоже не представляется чем-то из ряда вон выходящим.

Весьма вероятно, что ближайшие годы принесут окончательное открытие сверхмассивных дыр с относительно небольшой плотностью и массами от нескольких сот до миллиардов М_?, и лапласовские монстры станут чем-то привычным. Это откроет

путь к решению проблемы коллективной эволюции звездных скоплений самого разного масштаба. Действительно, трудно поверить, что в плотных шаровых скоплениях и тем более в галактических ядрах каждая звезда могла бы рождаться и умирать совершенно индивидуально, никак не связываясь с судьбой ассоциации. Именно эта связь и должна во многих случаях приводить к появлению разномасштабных черных дыр с огромными массами. Один из важных гипотетических вариантов такого рода — присутствие гигантских черных дыр в ядрах квазаров, что пока дает едва ли не единственный путь к объяснению их фантастической светимости.

Казалось бы, все в порядке, остается только активно вести расширение круга наблюдений по более или менее ясной схеме.

Но тут-то как раз произошло интереснейшее уточнение самой схемы, если можно так выразиться, состоялось третье теоретическое рождение черных дыр.

В 1974 году английский теоретик С. Хокинг опубликовал в журнале «Nature» («Природа») небольшую заметку с интригующим вопросом в заголовке «Взрывы черных дыр?». Это положило начало, пожалуй, самому впечатляющему астрофизическому буму 70-х годов.

Идея Хокинга была довольно проста. Как бы ни самоизолировалась черная дыра, она всегда связана с вакуумом элементарных частиц. Процессы вблизи ее поверхности идут с характерным временем t_g ~ R_g/c = 2GM/c³, и они вызывают рождение частиц с энергией E ~  ћω_g  ~ ћ/ t_g — характерная собственная частота черной дыры как бы резонирует с частотами вакуума, вышибая из него реальные частицы. Более наглядно можно пояснить ситуацию так: черная дыра способна удержать объекты с размером        l «R_g, но не излучение с длинами волн λ r R_g, которое как бы выдавливается из черной дыры в силу соотношения неопределенностей*.

* Соотношение неопределенностей ∆р^.∆x Á ћ показывает, что объект с импульсом р = ћω/c  нельзя локализовать в области с размером меньшим ћ/р ~ c/ω~ λ  . Излучение с длиной волны λ не локализуется в области с размером меньше λ.

Отсюда следовало, что черная дыра вовсе не мертва. С точки зрения квантовой теории, она должна излучать во внешнее пространство радиоволны, свет и даже тяжелые элементарные частицы — все, что допустимо ее размерами и энергетическими возможностями. Излучая, черная дыра разогревается, теряет массу, и конечная стадия ее испарения должна выглядеть как взрыв. Законы эволюции черной дыры, следующие из хокинговской модели, очень наглядно записываются с использованием планковских масштабов (М — масса черной дыры):

Светимость: L ~ L_P (m_Р/M)²
Температура: Т ~ T_P (m_Р/M) 
Плотность: ½ ~ ½_P (m_Р/M)²
 Время жизни: τ ~ M/L ~ t_P (m_Р/M)³ » 3^.10¹⁷ (M (г)/10¹⁵)³ с 

Отсюда хорошо видно, что эффект хокинговского излучения несущественен для обычных черных дыр типа Лебедя X-I, чья температура порядка 10⁸ К, а время испарения сильно превышает возраст Вселенной (τ ~ 10⁷⁴ с!). Тем более, практически незаметна квантовая эволюция гипотетических дыр-гигантов.


Забавные дырочки размером около 1 миллиметра, но с довольно солидной массой (М ~10²⁷ г) и колоссальной плотностью (½ ~ 2,5^.10³⁰ г/см³) могли бы имитировать наблюдаемый фон теплового излучения с температурой в несколько градусов Кельвина. Однако чтобы вытеснить модель космологического реликтового излучения, следовало бы предположить, что малютки существуют в изобилии и распределены в пространстве крайне равномерно по всем направлениям. Неясно также их происхождение.

Наибольший интерес с самого начала вызвали, конечно, черные дыры с массами М~10¹⁵ г. Ведь они способны полностью испариться за известный космологический период, и в современную эпоху какая-то их часть должна взрываться, выбрасывая чрезвычайно жесткое излучение.

В связи с такими мини-дырами возродился интерес к идее советских астрофизиков Я. Б. Зельдовича и И. Д. Новикова, которые еще в 1967 году предсказывали, что наряду с черными дырами, возникающими космогоническим путем, то есть за счет эволюции звезд, могут существовать и так называемые первичные дыры, образующиеся на ранних стадиях космологической эволюции.

Дело в том, что вещество распределено равномерно лишь в среднем, в некоторых же областях пространства оно могло концентрироваться, а часть этих концентраций — коллапсировать до состояния черных дыр, даже в очень горячей обстановке самых ранних мгновений. Поэтому не исключено, что образование каких-то астрофизических структур — разумеется, совсем необычного типа — началось задолго до появления галактик и звезд первого поколения.

Представления такого рода способны оказать серьезнейшее влияние на астрофизические и космологические концепции. Во-первых, на повестку дня ставится задача о космических объектах исключительно малых размеров и высоких плотностей. Вообще возникает любопытный вопрос: чем ограничена снизу масса звездоподобных объектов, если процесс их образования отодвигается ко все более ранним моментам? Не играет ли роль такого ограничителя, скажем, планковская масса? С другой стороны, первичные мини-объекты могли бы дать полезнейшую информацию о структуре очень ранней Вселенной — был ли это лишь сугубо однородный кипящий бульон из элементарных частиц, или на фоне в среднем равномерного распределения возникали и гибли весьма нетривиальные миры, интересные ничуть не менее ныне наблюдаемых звезд и галактик*. И еще один важный вопрос: каково влияние реликтовых неоднородностей на формирование более крупных космических структур?

* Пусть в космологическую эпоху  t при плотности ½ ~ ½_P (t_Р/t)² образуется черная дыра. Она должна собрать всю массу в области с размером R À ct, и тогда М_рд ~ ½ (ct)³ ~ (c³/G)^.t ~  m_Р(t/t_Р)  Таким образом, первичные черные дыры с М r М? могут образовываться не ранее эры адронного синтеза (t ~ 10^-5с), с  М ~ 10¹⁵ г — при t ~ 10^-23с, когда ½ ~ 10⁵² г/см³, а первичные дыры лапласовского типа при  t ~ 10³с — в эпоху синтеза гелия. Интересно, что в таком подходе для образования черной дыры с массой Вселенной нужно как раз космологическое время  t ~ 10¹⁷ с.

Более детальный анализ модели испарения и наблюдаемых данных пока не привел к обнаружению черных мини-дыр с массами от 10⁹ до 10¹⁵ г. Это указывает на довольно малую их концентрацию (видимо, не более 10⁴ мини-дыр в одном кубическом парсеке). Не исключено также, что мы не слишком ясно представляем себе завершающую стадию их испарения*.

 * Между тем, по поводу необнаруженных мини-дыр уже появились интересные прикладные намерения. Скажем, отражатель, находящийся на определенном расстоянии от минидыры с М ~ 10¹⁵ г, может быть подобран так, чтобы сила его притяжения дырой уравновешивалась силой давления излучения на зеркальную поверхность (проект С. Блинникова). Очень любопытный вариант ракетного двигателя и в то же время способ транспортировки мини-дыр как «дармовых светильников» в нужные точки пространства. Вообще приятно помечтать о тех временах, когда земная цивилизация смогла бы широко использовать фантастически мощную чернодырную энергетику.

Идеи квантовой эволюции черных дыр хорошо подчеркнули неизбежность изменения теории гравитации в планковской области. Из условия, что светимость объекта не может превысить L_P, автоматически следует, что его масса не может стать меньше m_P , а плотность — больше ½_P

Ограничения такого рода, разумеется, имеют лишь качественное значение, поскольку сама модель Хокинга не предназначена для оценок в планковской области. Беда в том, что при подходе к планковской области всякий газ ультрарелятивистских частиц (или излучение, рассматриваемое как газ) должен терять свою идеальность. При столь высокой концентрации важную роль начинают играть гравитационные взаимодействия между отдельными частицами. Не исключено, что именно такое все нарастающее взаимодействие сильно меняет характер поведения черной дыры при  М " m_P, и она завершает свою эволюцию относительно спокойно и перестает излучать*. Интересно, не есть ли мини-дыра тот самый объект, который ближе всего (хотя и на исключительно короткое время) подходит к абсолютному пределу светимости? Не является ли конечным состоянием мини-дыры планкеон — объект с М ~ m_P и эффективным размером порядка l_P? Не закрывает ли планкеон Сингулярности, которая неизбежно обнажается в хокинговской модели при полном испарении дыры?**

* Это нетрудно понять, если обратить внимание на то, что при М " m_P черная дыра должна излучать кванты с энергией порядка ћω_P = m_Pc² = кТ_P, то есть сопоставимые с энергетическим запасом самого излучателя. Ситуация такова, что черная дыра как бы смешивается с излучаемыми ею частицами и становится одной из них.
** Что выражается, например, в бесконечной светимости при М " 0.

Пока нельзя ответить на все эти вопросы, но ясно, что если удастся обосновать нечто, напоминающее планкеонный финиш испаряющихся черных дыр, то появится сильнейший аргумент в пользу квантовой блокады космологической Сингулярности. Возможно, начальное состояние Вселенной (как и конечное состояние для внутренней эволюции черной дыры) станет с современной точки зрения чем-то крайне экзотическим, но, скорее всего, и физически более осмысленным.

ГРАВИТАЦИОННЫЕ ВОЛНЫ

180-летнюю историю черных дыр все-таки можно назвать историей со счастливым концом — сейчас они считаются экспериментально обнаруженными объектами. Зато с гравитационными волнами — явлением, представляющим феноменальный интерес, ситуация выглядит значительно сложней и, пожалуй, драматичней.

Следует подчеркнуть, что теория гравитации с самого начала развивалась как сугубо статическая. Закон Ньютона фиксировал вид силы, действующей между двумя массами на определенном расстоянии, и не касался иных задач. После создания специальной теории относительности стало ясно, что любое взаимодействие должно распространиться с конечной скоростью, не превышающей с. Это следовало отнести и к гравитации. Отсюда немедленно вытекала идея об особом переносчике тяготения — гравитационном поле и конкретном проявлении этого поля в форме гравитационных волн.

Предсказание таких волн — одно из первых и почти очевидных следствий эйнштейновской общей теории относительности. Гравитационные волны появляются в простейшем линейном приближении этой теории в качестве решений, во многом похожих на то, что известно из электродинамики. Оставалось только обнаружить новые волны экспериментально и получше их использовать. Впереди маячили блестящие перспективы генерации тяготения в иные миры, дистанционного управления кривизной пространства-времени...

Эти перспективы маячат до сих пор, реализовавшись пока лишь на страницах научной фантастики. И вот почему так получилось.

Уравнения Эйнштейна очень сложны и в отличие от уравнений максвелловской электродинамики нелинейны. Поэтому получить физически прозрачное точное решение для гравитационной волны нелегко, трудно даже определить однозначный критерий ее существования и, тем более, дать полную постановку задачи на излучение. Более того, длительное время мнения теоретиков колебались между безусловным признанием реальности этих волн и полным ее отрицанием.

Несколько определенней выглядит ситуация с заведомо слабыми гравитационными волнами, которые представляются чем-то вроде небольшой колебательной ряби на фоне данной геометрической структуры пространства-времени (чаще всего плоского или соответствующего фридмановским моделям). Физический анализ здесь много проще, но приближения есть приближения, оценки их пригодности тоже очень непростое дело.

Разумеется, все рассуждения крайне сократились бы, заготовь природа какой-то источник, доступный прямому и достаточно простому эксперименту. Именно в его отсутствии кроется главная причина всех трудностей. Слишком мал поток энергии, который могут давать более или менее понятные источники гравитационных волн.

Для системы Солнце-Юпитер излучаемая мощность достигает всего несколько сотен ватт, а длина волны около 2 парсеков! Гораздо сильней излучают тесные системы двойных звезд — их гравитационная светимость достигает 2^.10²⁵ Ватт, то есть нескольких процентов от общей светимости Солнца (L? » 3,8^.10²⁶ Вт). Юпитер близок, но дает слишком малую мощность, двойные звезды неплохо излучают гравитационные волны, но, увы, далеки — поток от конкретной пары вряд ли доступен регистрации. Общий поток гравитационного излучения 20 миллионов двойных звезд Галактики вблизи поверхности Земли не превышает 10^-10 Вт/м² (попробуйте уловить 1 Ватт мощности, рассеянный по площадке со стороной 100 км!).

Наряду с такими стационарными излучателями большую роль могут играть импульсные вспышки, связанные с внезапным сближением и даже столкновениями звезд в скоплениях и, особенно, в центральных областях галактик. Например, при прямом столкновении двух звезд типа Солнца около 1/800 части их суммарной массы может выделиться в импульс гравитационного излучения — за очень небольшое время выделится до 4,5^.10⁴⁴ Дж энергии. Гораздо эффективней двойных звезд должны испускать гравитационные волны такие космические объекты, как пульсары, квазары и черные дыры. При не слишком сильных допущениях гравитационная светимость несколько деформированной вращающейся нейтронной звезды может достигать 10³¹ Вт, то есть порядка пятой части общей светимости.

Еще более впечатляющая картина вырисовывается при взрывах квазаров, гравитационная светимость которых квадратично зависит от мощности взрыва Р : Lg ~  (G/c⁵) Р².

Для взрыва с характерным энерговыделением 10⁵² Джоулей за время порядка 3-х лет гравитационная светимость достигает 10³⁸ Ватт. Это, пожалуй, превышает полную светимость звезд обычной Галактики.

Другой не менее эффектный механизм мощнейшего гравитационного импульса — слияние черных дыр, когда в излучение переходит около 30 % их суммарной массы.

Кроме анализа таких астрофизических источников в настоящее время ведется активный поиск излучателей земного (желательно даже лабораторного) масштаба — от несимметричных взрывов атомных бомб и сверхмощных лазерных импульсов до обычных вращающихся стержней и пульсирующих оболочек. Разумеется, чисто лабораторный эксперимент во многих отношениях удобней. Он дает возможность более подробного изучения явлений за счет регулировки параметров источника. С астрофизическими объектами в этом плане пока мы бессильны — звезды излучают «когда им хочется и так, как можется», не слишком считаясь с нашими интересами. С другой стороны, все до сих пор изученные методы искусственной генерации страдают общим недостатком: они ведут к очень ограниченным мощностям. В этой связи было бы очень любопытно поискать пути к усилению гравитационного излучения за счет каких-то когерентных систем излучателей — в духе лазерного эффекта в оптике. К сожалению, аналогия повисает здесь над ущельями многих и многих неясностей.

Убедившись в том, что гравитационное излучение способно возникнуть во многих ситуациях, обратимся теперь к несколько драматической истории его открытия. Дело в том, что уже в 1969 году американский физик Дж. Вебер опубликовал сообщение о регистрации новых волн.

В качестве детектора Вебер использовал полутораметровый алюминиевый цилиндр радиусом 30 см и массой в полторы тонны. Цилиндр максимально изолировался от случайных воздействий — его подвешивали в вакуумной камере на проволочных креплениях. Собственные колебания цилиндра с частотой 1661 Герц после возбуждения затухали примерно за 10 секунд, то есть он успевал совершить до 100 тысяч колебаний. Чувствительность детектора была столь велика, что он мог регистрировать сокращение длины порядка 10^—15 см. Механические колебания, вызванные каким-то внешним импульсом, преобразовывались в электрические сигналы специальными пьезоэлектрическими датчиками, укрепленными посреди цилиндра. Совершенно такая же регистрирующая система была смонтирована почти за 1000 км от основной лаборатории*.

*Один из цилиндров находился в лаборатории Мэрилендского университета, другой — недалеко от Чикаго, в Аргоннской Национальной Лаборатории.

Вскоре после начала опытов Вебер отметил, что в обоих цилиндрах в среднем раз в две недели одновременно возникают колебания, и никаких причин, кроме возможной регистрации искомых волн, для этих колебаний не видно. Более того, Вебер рассчитал местонахождение источника излучения — где-то в центре Галактики.

Публикация результатов прозвучала сенсационно и в то же время вполне реалистически: в неизбежность этого открытия верили более полувека. Трудно назвать хоть одно физическое явление, к открытию которого физики были бы морально готовы в такой степени.

Но очень быстро наступил более пессимистический момент. Теоретики сообразили, что поток излучения, зарегистрированный приборами Вебера (10^-3 — 10^-1 Bт/см²), слишком велик — необходимо еще придумать источник, способный к столь активной генерации. Если бы центр Галактики излучал именно так, то он попросту целиком высветился бы в форме гравитационных волн примерно за 10 миллионов лет, что в 1000 раз меньше минимально допустимого возраста Галактики.

Так родилась любопытнейшая проблема — что именно зарегистрировано в опытах Вебера? По этому поводу формулировались самые разные гипотезы, но окончательной ясности так и нет.

Ясно только, что официальное открытие гравитационных волн еще не состоялось. Вебер сделал шаг в нужном направлении, но его данные пока нельзя интерпретировать так, как хотелось бы. Тем более, что прокатившаяся по всему миру «гравитационно-волновая лихорадка», сопровождавшаяся еще более прецизионными измерениями, дала обескураживающие результаты. Ни одна лаборатория не смогла воспроизвести нечто даже близко напоминающее веберовские достижения.

Остается надеяться, что проблема обнаружения гравитационных волн все-таки не перейдет по наследству в 21 столетие. Для ее решения прилагаются очень серьезные усилия. И даже небольшая вероятность положительного результата вполне их окупает.

Дело в том, что гравитационные волны с большой степенью вероятности могут послужить ключом к решению фундаментальнейших задач — от физики элементарных частиц до космологии.

Реликтовые гравитационные волны должны нести информацию о самых ранних эпохах космологической эволюции. Из-за слабости взаимодействия гравитационные волны очень рано отрываются от остальных видов материи, и с их помощью мы смогли бы заглянуть едва ли не в Сингулярность, во всяком случае, по современным представлениям, ни один иной реликт не способен напрямую рассказать о состоянии Вселенной в планковскую эру t ~ t_P. Таким образом, они дают абсолютный хронологический зонд, несут на себе отпечаток самой ранней истории, включая Первовзрыв.

Распространяясь в космическом пространстве, гравитационные волны опять-таки из-за предельно слабого взаимодействия с веществом способны настолько глубоко проникать вовнутрь плотных небесных тел, насколько это вообще возможно. Гравитационная астрономия выявила бы такие детали строения Вселенной, которые, видимо, никакими иными путями не добыть. Особо важно в этом отношении зондирование самых активных областей — ядер галактик и квазаров, которые практически недоступны наблюдению иными средствами. Между тем, там спрятаны наиболее мощные энергетические источники. Гравитационная карта неба должна весьма радикально отличаться от электромагнитной, полученной в диапазоне оптических и радиоволновых наблюдений. И возможно, мы пока совсем поверхностно оцениваем общую светимость ряда объектов — как раз в гравитационной области они и могут оказаться особенно яркими. Трудно избежать и предположения о том, что только наблюдения гравитационного излучения откроют путь к области экстремально высоких светимостей, близких к планковскому пределу L_P.

Наконец, очень важно, что, исследуя гравитационные волны, мы вплотную подошли бы к решению задачи квантования гравитации. Опыт работы в области электродинамики подсказывает, что именно через волновую теорию проще всего прорваться к обнаружению корпускулярной структуры поля. В электродинамике этот процесс привел к теории фотонов. При квантовании гравитационного поля, казалось бы, должны проявляться особые частицы — гравитоны.
Теоретики изобрели их сразу же, как только были получены соответствующие решения волновых уравнений слабого гравитационного поля. Работа эта шла по аналогии с квантовой электродинамикой, но, к сожалению, без соответствующей экспериментальной основы.

Были построены простейшие модели взаимодействия гравитонов с другими частицами. Выяснилось, например, что электрон и позитрон, в принципе, могут аннигилировать в пару гравитонов, а гравитон в поле звезды может рождать пару — частицу и античастицу. Отсюда, естественно, возникло подозрение, что процессы такого рода и составляют микроскопическую основу взаимосвязи материи с геометрией пространства-времени, взаимосвязи, которая лишь в очень усредненной форме отражается классическими уравнениями Эйнштейна.

Не исключено, что гравитоны дадут неплохое начальное приближение для перехода к решению общей задачи о структуре пространства-времени в очень малых областях, вплоть до планковской. Квантование метрического поля при сохранении обычного смысла координат — операция не совсем последовательная. Но эта непоследовательность проявляется только вблизи планковской области, когда взаимодействие между гравитонами заведомо не мало, и они начинают интенсивно размножаться. В результате представления классической геометрии теряют смысл в очень малых объемах*.

* Научно это выражается так: метрика испытывает большие квантовые флуктуации (случайные отклонения от средних значений), и нельзя обычным образом определить расстояние между парой точек.

Не понятен пока механизм гравитационного взаимодействия элементарных частиц. Хотелось бы верить, что в какой-то степени его можно будет описать моделью обмена гравитонами.

По имеющимся оценкам, особо актуальной эта проблема должна стать лишь при фантастически высоких энергиях сталкивающихся частиц Е = m_Рс² — порядка 2 миллиардов Джоулей. В этом плане далекое будущее физики высоких энергий тоже упирается в проблему планковской области. Все дороги ведут в Рим!

МЕЧТЫ О КОСМИЧЕСКОМ МИКРОНАСЕЛЕНИИ

Рассматривая картину ранних космологических стадий, трудно избежать одного древнейшего предрассудка. Речь идет о более или менее длительном периоде начального Хаоса, из которого постепенно и в довольно поздние сроки формируются структуры. Конечно, сейчас ученые не мыслят его в виде какого-то клубящегося античного океана — разыгрывается модель крайне горячего газа элементарных частиц, однако идея бесструктурности объектов ранней Вселенной играет важную роль. Вроде бы все верно, какие структуры могут образовываться в среде, чья температура измеряется миллиардами миллиардов градусов? Любая из них разрушится в самом зародыше...

И все-таки проблема не так проста, как может показаться на первый взгляд.

Общепринятые ныне представления сводятся к тому, что лептоны, фотоны и кварки — частицы точечные, и первый структурный уровень эволюции соответствует синтезу адронов из кварков при t ~ 10^-5 с. Адроны — действительно сложные образования, их нетривиальная структура подтверждена прямыми экспериментами. Не исключено, что в соударениях при куда более высоких энергиях нам удастся установить сложное строение каких-то других частиц — выяснится, например, что кварки и (или) лептоны можно описать набором более простых структурных единиц. В этом случае придется выделять особую эпоху кваркового и (или) лептонного синтеза, но ничего сверхнеожиданного такое выделение не внесет. Осознав, что в истории Вселенной были эпохи без наблюдаемых звезд и галактик, без привычных атомов и молекул и даже без адронов, нетрудно будет привыкнуть и к докварковой эре.

После адронов появляются следующие структурные уровни — простейшие атомные ядра, а много позже — атомы и молекулы. Если представление об адронах как составных системах не слишком наглядно, то теперь уже можно довольно уверенно говорить о «чем-то, состоящем из того-то и того-то» (ядро гелия-4 — из 2 протонов и 2 нейтронов, атом водорода — из протона и электрона и т. п.). Ну, а потом создаются условия для синтеза более сложных веществ, и решающую роль в этом добром деле играет гравитация, конденсирующая материю в достаточно компактные объемы. Картина дальнейшей эволюции во многом уже прояснена, и мы обсудим ее, рассказывая о космогонической фазе.

Теперь же нас интересует нечто, относящееся к совсем ранней Вселенной. Вопрос в следующем — каковы собственно локальные проявления гравитации до эпохи адронного синтеза? Не приводит ли гравитационная конденсация к образованию каких-то реликтовых структур, неизвестного нам типа, возможно целых эволюционных ветвей материи, просто не замеченных пока современным экспериментом и не разработанных как следует теорией?

Кое-что на эту тему уже обсуждалось, например, гипотеза Зельдовича-Новикова о формировании реликтовых черных дыр очень малого размера и колоссальной плотности. Согласно теории Хокинга, некоторые из этих дыр могли бы проявиться как раз в современную эпоху, демонстрируя завершающую стадию своего испарения.

Задачу можно ставить и несколько шире — почему только дыры? Не способна ли гравитация сконденсировать в очень ранней Вселенной и чуть менее массивные равновесные объекты типа звезд, не входящих в режим коллапса?

Начнем опять-таки с эпохи адронного синтеза. Очень вероятно, что подавляющее большинство кварков стягиваются при t ~ 10^-5 с в отдельные адроны. Но не может ли вести гравитационная конденсация кваркового вещества в объеме порядка 3 км (R ~ ct ~ (3^.10⁵ км/с)х10^-5 с ~ 3 км) к образованию реликтовых кварковых звезд примерно такого же размера? Вообще, не формируются ли на этой стадии — пусть с очень небольшой вероятностью — кварковые структуры, сильно отличные от известных ныне адронов?

Суть дела в том, что современный эксперимент по столкновениям адронов при высоких энергиях имеет дело с очень малыми количествами кваркового вещества, причем уже организованного в адронную форму. В результате соударений рождаются снова адроны. Но условия реакций здесь совсем иные, чем в ранней Вселенной. Область взаимодействия окружена вакуумом, а не веществом сверхъядерной плотности. Возможно, в связи с этим и резко подавлены каналы образования чего-то отличного от известных адронов, и более крупные кварковые структуры просто не могут проявиться при современных энергиях и объемах участвующего в реакциях кваркового вещества.

Проблема кварковых звезд и макроскопических капель кварковой жидкости уже обсуждается современной теорией, хотя перспективы прямого эксперимента в этой области сопряжены с огромными трудностями. Однако впереди маячит нечто очень важное: новая картина ранней Вселенной, гораздо менее унылая, чем однородный горячий бульон точечных частиц. Не ухватились ли мы лишь за сравнительно поздние ветви космогонической эволюции, упуская из вида значительное многообразие ее самых ранних форм?

Перейдем теперь к эпохе, когда могли формироваться гипотетические мини-дыры массой порядка 10¹⁵ г, способные и сегодня завершать свое испарение. Предположим, что наряду с ними при t ~10^-23 c конденсируются какие-то немного менее массивные объекты колоссальной плотности ½ ~ 10⁵² г/см³ и радиусом R ~ 10^-13 см, способные пережить самые горячие времена и сохраниться в нынешней Вселенной.

И сразу же возникает один очень интересный аспект микрозвезд — гравитационные атомы.

Уже давно теоретики обратили внимание на одну серьезную несправедливость — кулоновские электрические силы легко связывают, скажем, электрон и протон в атом,* тогда как гравитационным силам это как бы не удается. Дело, конечно, в их исключительной слабости. Элементарным частицам невозможно образовать сколь-нибудь устойчивую атомную систему за счет потенциала тяготения. Наглядно это выражается в том, что, скажем, размер гравитационного атома из пары π-мезонов достигает радиуса наблюдаемой Вселенной (ћ²/Gm_π³ ~ c/H ~ R_Всел ,
где Н — современное значение функции Хаббла ). Поэтому, вероятней всего, строить такие атомы без учета качественно новых типов звезд и элементарных частиц не имеет смысла.

*Размер такого атома определяется величиной  r_B = ћ²/e²m_e ≈ 10^-8 см, именуемой Боровским радиусом, е — электрический заряд электрона и протона, m_e — масса электрона. Размер гравитационного атома дается аналогичной формулой, где е² заменяется ньютоновским выражением Gm₁m₂.

Оказывается, что микрозвезды массой 10¹⁵ г как раз и могут связываться с электроном в водородоподобную систему, причем удается вычислить тонкие различия в спектре такого атома и обычного водорода, где роль ядра играет протон. Не исключено, что лишь по этим спектральным различиям и следует искать новые атомы. Благодаря недавнему обнаружению очень малой массы покоя у электронного нейтрино можно построить модель, в которой гравитационный атом с орбитальным нейтрино достигает практически макроскопических размеров (r_B ~ 10^-4 см).


Все эти идеи довольно любопытны, однако главная проблема относится к строению микрозвезд. Один из очевидных подходов — аналогия с нейтронными звездами, иными словами, предположение о том, что микрозвезда состоит из холодного газа частиц, подобных нейтронам. Проблема, однако, в том, что эти частицы, супербарионы, чрезвычайно массивны — примерно в миллиард раз массивней нейтрона, и их поиск на ускорителях пока дело неблизкого будущего*.

* Все дело именно в массивности частиц, из которых состоит гипотетическая микрозвезда! Обычно полагают, что в очень ранней и горячей Вселенной не могут образовываться никакие многочастичные конденсации, кроме первичных черных дыр. Представление основано на том простом факте, что ультрарелятивистские частицы горячего бульона непременно убегут из любой конденсации, чей радиус превышает Rg. Это так, если предполагать, что вплоть до какого-то момента Вселенная состоит из одних только ультрарелятивистских частиц, чья кинетическая энергия много больше энергии покоя (фактически: кТ ?mс²), т. е. начальная Вселенная является «чисто горячей». На самом деле даже в очень ранние моменты во Вселенной может присутствовать «холодная компонента» — небольшая доля достаточно массивных и потому относительно медленных частиц. Действительно, в момент  t, когда температура Вселенной        Т ~ √ t_P/t , частицы с массой покоя m ~ kT/c² ~ m_Р √ t_P/t   перестают быть ультрарелятивистскими — их кинетические энергии того же порядка, что и энергия покоя mc². В пределах горизонта R ~ ct они могут конденсироваться в микрозвезду с массой                           М ~ ½R³ ~ ½_P (t_P/t)²(ct)³ ~ m_Р (t_P/t) ~ m_Р³/m². Такая микрозвезда представляет собой возмущение в среднем однородного фона плотности материи. В частности, при t ~ 10^-23 с гипотетические супербарионы с m ~ 10^-15 г могут формировать микрозвезды с М ~ 10¹⁵ г. Тепловые скорости супербарионов должны стать заметно меньше с, и для достаточно компактной микрозвезды — меньше критической скорости убегания. Разумеется, обрастать атмосферой из более легких частиц (и, например, формировать гравитационные атомы) такая микрозвезда сможет лишь много позже — при достаточном падении общей температуры.

Было бы любопытно выяснить — не является ли «холодная компонента» источником самых ранних возмущений плотности материи, начиная, быть может, с t ~ t_P    , когда способны формироваться микрозвезды планкеонного масштаба. Проблема «холодной компоненты», разумеется, будет решаться экспериментально — во-первых, необходимо искать частицы очень больших масс (на 10 и более порядков тяжелее протона), во-вторых, непосредственно искать реликты типа микрозвезд по их прямым и косвенным проявлениям, имея в виду, что относительные концентрации этих объектов могут быть крайне малы.

Один из примеров образования реликтовых конденсаций за счет описанного механизма уже известен, хотя он и относится к сравнительно холодным эпохам. Речь идет о формировании облаков из реликтовых нейтрино с ненулевой массой покоя при t ~ t_P(m_Р/mν)² ~ 10¹⁰ с ~ 300 лет.  В эту эпоху (Т~10⁵К) нейтрино с mν ~ 30 эВ уже не ультрарелятивистские. Масса нейтринного облака М ~ m_Р³/ mν² ~ 10¹⁵ г, а начальный радиус R ~ l_P(m_Р/ mν)² ~ 100 пс. Такая гигантская конденсация, как мы увидим в гл. 9, Должна играть определяющую роль в формировании самых крупных структурных единиц Вселенной — сверхскоплений галактик.

Но уж если фантазировать, так до конца!

Опять-таки проблема микрозвезд толкает нас к планковской области. Попробуем подумать, какой может быть предельно малая звезда?

Очень интересная оценка возникает при попытке сконструировать звезду из холодного газа частиц, каждая из которых эквивалентна самой звезде. Оказывается, такой самозашнурованный объект будет состоять из планкеонов и сам будет планкеоном.

Не сшиваются ли таким образом две вроде бы совершенно несопоставимых группы космического населения — элементарные частицы и звезды? Не является ли планкеон одновременно чем-то вроде минимальной звезды и максимальной частицы?

Должно быть, мы достаточно углубились в сферу мысленных конструкций, не имеющих под собой пока ни одного экспериментального факта. Однако в данной ситуации путешествие по многообразным и скользким путям воображения кое-чем оправдано. На горизонте маячит принципиально новая ветвь астрофизики, тесно переплетенная с грядущими исследованиями поведения вещества в совершенно необычных условиях. Мы ощупываем этот горизонт лучами своих весьма несовершенных аналогий, но даже в столь примитивном освещении вырисовывается нечто крайне привлекательное.

Открытие реликтовых структур типа микрозвезд или каких-то явных следов их существования в ранней Вселенной стало бы одним из мощнейших революционизирующих толчков в истории естествознания. Мало того, что само по себе оно дало бы новую сферу исследований, оно послужило бы и важнейшей опорной точкой для броска в планковскую область, в зону Первовзрыва.

Возможность сшить два мира — звезд и элементарных частиц — кажется чем-то сказочным, однако тот, кто посчитает эту идею пределом фантастики, разочаруется очень скоро — уже в следующем разделе мы столкнемся с не менее эффектными гипотезами.

 АНТРОПОГЕННЫЙ ПРИНЦИП

Хорошая физическая теория должна, исходя из очень небольшого круга фундаментальных положений, выводить конкретные предсказания, в частности, объяснять численные значения наблюдаемых характеристик окружающего мира. Речь идет о массах, временах жизни, светимостях, частотах и т.д.

С большинством таких задач современная физика справляется довольно успешно. Например, мы знаем, что характерная частота переходов в атоме водорода, полностью нормирующая его спектр, легко выражается через постоянную Планка, заряд и массу электрона — это так называемая постоянная Ридберга (R_∞ = m_ee⁴/2 ћ²). Характерная масса звезды типа Солнца с точностью до несущественного числового множителя оценивается комбинацией трех мировых констант и массы протона (M~ (ћc/G)^3/2 m_p^-2 ~ (m_P³/m_p²)), то есть удобно выражается через планковскую массу. Нечто похожее имеет место и в других случаях — все в порядке, если наблюдаемые параметры объектов и процессов выражены через некий минимальный набор констант.

В этот набор сейчас включены и величины, которым, может быть, там не место. Многие физики убеждены, что более общая теория даст методы расчета спектра масс элементарных частиц, и массы электрона и протона будут выражены через какие-то более фундаментальные вещи, например, через планковскую массу. Не исключено, что найдутся в такой общей теории и идеи, позволяющие вычислять заряд электрона и другие константы взаимодействия. Было бы, конечно, здорово свести все и вся к комбинациями трех мировых констант ћ, с, G или, что то же самое, к планковским единицам. Но пока приходится опираться на достигнутое, и реалистический минимальный набор, наряду с фундаментальной тройкой, включает массы и константы взаимодействия элементарных частиц.

Общая теория имеет шанс еще долго пробыть предметом веры, но в связи с ее предполагаемым появлением есть и несколько пессимистические точки зрения. Честно говоря, в области известных ныне элементарных частиц не видно параметра с размерностью массы, который позволил бы объяснить весь спектр наблюдаемых масс. И не так-то легко поверить в существование одного параметра, который (подобно константе Ридберга в атомной физике) даст единую нормировку массового спектра в огромном интервале от нейтрино до самых тяжелых адронных резонансов. Что же касается стратегии дальнего прицела, например, использования планковской массы, то по нынешнему физико-математическому кругозору кажется маловероятным, чтобы какая-то теория уверенно вычисляла потрясающе малые безразмерные константы — отношения масс обычных элементарных частиц к массе планкеона (скажем, для протона m_р/m_Р = 10^-19!).

Если даже предположить, что программа такого рода будет выполнена, и все известные массы частиц и константы связи выстроятся из фундаментальной тройки, то останется и такой вопрос: как объяснить тройку, или, по-другому, откуда берется планковский набор {l_P, t_P, m_P}?

Подходя к делу прагматично, можно вообще не считать актуальной проблемой получение спектра масс элементарных частиц и тем более установление природы планковского набора. В конце концов, современный уровень физики просто не позволяет заглянуть достаточно глубоко — в свое время и набор частот в атомных спектрах представлялся загадкой...

Есть и иной путь — поискать какую-то совсем оригинальную схему объяснения, не исключая даже сильных отклонений от существующей физической традиции. Под традицией понимается своеобразная атомистическая идеология, сложившаяся в первые десятилетия нашего века под впечатлением грандиозных успехов атомной и молекулярной физики. Есть определенный структурный уровень материи — окружающее нас вещество. Его свойства во всех фазах (газовой, жидкой и твердой) хорошо объясняются моделью атомно-молекулярного строения. Но сами параметры атомов и молекул — массы, размеры, характерные частоты — до поры входили в теорию просто как необъяснимые константы. Квантовая теория превосходно объяснила эти параметры на более глубоком структурном уровне, создав модели строения атомов и молекул. На сегодняшний день атомно-молекулярная картина целиком выводима из свойств элементарных частиц, то есть основана на еще более глубоком структурном уровне материи. Ну, и так далее — прорвемся мы когда-нибудь к следующему уровню и на этой основе построим полную теорию элементарных частиц, и их массы, конечно же, исчезнут из минимального набора констант...

Вполне вероятно, что так и будет, но есть ли уверенность, что материя достроена по строго матрешечному принципу?

Оригинальная точка зрения, не разделяющая эту уверенность, стала развиваться в 60-е годы. Речь идет о так называемом методе бутстрэпа, или самозашнуровки*. Этот подход выставил в качестве схемы объяснения такую идею: все параметры минимального набора образуют единственную самосогласованную систему в том смысле, что любой из них имеет наблюдаемое значение, поскольку все остальные имеют тоже наблюдаемые значения. Иными словами, масса протона составляет 1,67^.10^-24 г потому, что масса электрона 9,11^.10^-28 г, масса Солнца 1,99^.10³³ г, а скорость света 3^.10¹⁰ см/с и т.д. И если немного изменить массу протона (или Солнца или π-мезона), «поедут» все остальные фундаментальные константы и параметры, теоретические оценки во всех областях разойдутся с наблюдениями.

*По-английски бутстрэп – шнуровка обуви (bootstrap)

Разумеется, здесь приведена экстремистская формулировка бутстрэпа как принципа организации Вселенной. Из нее следует, что мы живем — в лучшем или не в лучшем, — но в единственно возможном мире. Решить проблему в такой формулировке трудно, если вообще возможно.

То, что масса обычных звезд зависит от массы протона,— следствие обычной астрофизической модели, не требующее чего-то в духе бутстрэпа. Связь между величинами масс протона и электрона вообще не ясна. В теории адронов бутстрэп продемонстрировал ряд наглядных связей между массами, но распространить эти идеи на лептоны (в частности, на электрон) не удалось.

Если бы дело ограничилось явным вычислением связей такого рода или гипотезами о возможных связях, то, по сути, бутстрэп следовало бы считать принципом взаимосогласованности различных срезов действительности.

Но у него есть и особая, так сказать, зона применения. Увидеть ее проще всего, обратив внимание на так называемые “магические соотношения”. Одно из них мы упоминали в предыдущем разделе — радиус наблюдаемого участка Вселенной того же порядка, что и радиус гравитационного атома, образованного парой обычных элементарных частиц (R ~ c/H ~ ћ ²/Gm³ *).   Современная теория элементарных частиц и теория гравитации это соотношение не выводят, возможно, потому, что они не объединены. Вот здесь-то бутстрэп и пытается сыграть роль заместителя единой теории. Можно, например, показать, что возраст типичной звезды на главной последовательности диаграммы Герцшпрунга-Рэссела по порядку величины близок к t ~ ћ ²/Gm_p³c ~ t_P (m_P/m_p)³ , то есть рассмотренное «магическое соотношение» как бы отражает экспериментально наблюдаемый факт обилия звезд главной последовательности в нашу эпоху. Появляется своеобразная зарубка на оси времени (t ~ 10¹⁷ — 10¹⁸ с), соответствующая космологической эпохе обилия обычных звезд. Это нечто вроде зарубок, соответствующих эпохам адронного синтеза (t ~ 10^-5 c) или атомного синтеза (t ~ 10⁵ — 10⁶ лет). Но есть и интересная разница — ведь в “магическое соотношение” входят параметры нашей эпохи, в частности, наблюдаемое значение функции Хаббла. Требуя, чтобы возраст наблюдаемой Вселенной был того же порядка, что и возраст звезд главной последовательности (хотя бы столь большим, чтобы эти звезды могли достаточно далеко зайти в своей эволюции), мы вроде бы объясняем “магическое соотношение” — только какой ценой? По существу, мы навязываем Вселенной наличие звезд типа Солнца, а тем самым — косвенно — и собственное существование.

*Для численной оценки лучше всего подходит π-мезон, но взять протон (m_p/m_π ~ 7) – тоже не ошибка. Ведь такую величину, как возраст Вселенной (~ 1/H) или ее радиус, мы оцениваем очень грубо – по порядку величины. 

Американский физик Роберт Дикке решил, что эту операцию неплохо бы проделать и в явной форме. Так родилось интереснейшее направление бутстрэпной идеологии — так называемый антропологический принцип*.

*Дискуссия о связи идей бутстрэпа и антропологического (или, как иногда говорят, антропного) принципа увела бы нас слишком далеко. При желании можно считать, что это независимые подходы. Всеобщий бутстрэп предполагает отсутствие каких-либо фундаментальных элементов Вселенной – все элементы равно важны в своей взаимообусловленности. Антропологический принцип подчеркивает, что вся информация об этих элементах фиксируется не вообще в космическом пространстве, а наблюдателем и поневоле имеет антропоцентрическую форму.  

Суть его сводится к тому, что любые следствия любой теории не должны противоречить факту существования наблюдателя, мыслимого в образе человека. Возможен и более эффектный вариант — сильный антропологический принцип, согласно которому параметры Вселенной должны иметь значения, допускающие эволюционную ветвь человеческого типа.

Внешне такая точка зрения кажется чем-то, резко противоречащим всей линии развития общенаучных взглядов — от Кузанца и Коперника до наших дней. Действительно, практически все крупнейшие шаги в астрономии связаны с ликвидацией “центризмов”. Ничем не выделены в смысле своего положения Земля, Солнце, Галактика, у человека нет космографических преимуществ в исследовании самых крупных космических масштабов. Как вы помните, обсуждался даже Абсолютный Космологический Принцип, запрещающий наблюдателю иметь не только пространственные, но и временные преимущества. Его рассматривали в качестве предельно полной децентрализации Вселенной в духе идей Кузанца...

Предельное равноправие различных планет, звезд и галактик в роли возможных наблюдательных площадок весьма успешно послужило развитию научного мировоззрения. Но абсолютизация даже такой хорошей вещи, как равноправие, легко приводит к абсурду — обычно с того момента, когда начинают игнорироваться существенные отличительные черты. Особенно это сказывается в анализе эволюционизирующих систем.

Посмотрим на дело вот с какой стороны. Картина Вселенной создается не каким-то внешним по отношению к ней существом, издали созерцающим абсолютную истину. Люди и социальные организмы — тоже подсистемы Вселенной со своими сложными особенностями восприятия. Биологические и социальные организмы видят окружающий мир в меру сложности своей организации. Но одновременно они меняют свою сложность в процессе эволюции. Поэтому не так уж удивительно требование, чтобы общая эволюционная модель — от космологии до социогенеза — обладала такими параметрами, которые допускают существование создателей этой модели.

Еще в первой четверти 20 века физики полагали, что прибор не играет принципиальной роли в познании свойств того или иного объекта. Считалось едва ли не само собой разумеющимся, что точность определения, скажем, координат и скоростей частиц может безгранично нарастать — хватало бы технической смекалки. Квантовая механика преподала превосходный урок на тему этой “безграничности”. Оказалось, что поскольку при наблюдении любой объект должен подвергаться внешнему воздействию (на него должен попасть хоть один фотон, иначе как наблюдать?), нет — принципиально нет! — возможности одновременно измерять точные значения координаты и импульса и некоторых других пар сопряженных характеристик.

Но схема опыта должна включать не только связь прибор-объект, есть еще связь прибор-субъект. Не исключено, что антропологический принцип пытается уловить именно последнюю связь, подчеркивая, что наблюдатель принципиально может регистрировать прибором лишь те явления, параметры которых не противоречат условию естественного развития этого наблюдателя как подсистемы изучаемой им Вселенной или более того — прямо следуют из аксиомы наличия нашей эволюционной ветви. Не исключено также, что пока этот принцип выражен недостаточно четко и в будущем ему придадут более ясную, например, теоретико-информационную формулировку.

Однако важно, что и теперь анализ в духе антропологического принципа приносит немало интересного. Кстати, знаменитое противоречие между первыми оценками функции Хаббла и геологическими данными можно трактовать как прямое предсказание в рамках этого принципа — возраст Вселенной в любом случае больше возраста Земли (то есть больше 4,6 млрд. лет), иначе в столь краткосрочной Вселенной просто не успели бы развиться планеты с астрономами и геологами.

Но это довольно очевидно. Менее очевидны и очень важны выводы, связанные с анализом минимального набора констант. Выясняется, что при некотором увеличении константы слабого взаимодействия могли бы блокироваться вспышки сверхновых звезд, обогащающие космос тяжелыми элементами,— соответственно, известные звезды второго поколения, их планеты и биосферы типа земной, где тяжелые элементы играют существенную роль, просто не появились бы. При небольшом уменьшении этой константы звезды не содержали бы ядер сложнее гелия, и это опять-таки не привело бы к жизни наблюдаемого типа.

К неприятностям приводят и небольшие вариации гравитационной постоянной — на главной последовательности не оказалось бы звезд типа Солнца. При большем значении возникает царство голубых звезд, при меньшем — красных. То же самое, но в обратном порядке происходит при вариациях электрического заряда. Можно проследить и катастрофические последствия изменения других констант. В целом создается впечатление, что человек-наблюдатель может возникнуть лишь в такой Вселенной, чьи константы (минимальный набор) совпадают с наблюдаемыми, во всяком случае, заключены в очень узком “коридоре вариаций”. Итак, наблюдатель воспринимает то, что допускается его биосоциальной структурой и допускает эволюционное происхождение этой структуры*. Добавление первой части очень важно — она фиксирует включенность наблюдателя в определенный уровень приборных ситуаций и соответствующих модельных представлений. Этот уровень тоже эволюционизирует вместе с наблюдателем.

*В такой общей формулировке принцип следовало бы, строго говоря, назвать антропогенным. Обращаясь к историческому материалу (в том числе изложенному в 1-й части книги), нетрудно убедиться, что антропогенный элемент присутствует во всех сколь-нибудь развитых космологических схемах древности. Древние ничего не знали о минимальном наборе констант, зажатых узким коридором допустимых значений, но неизменно сводили условия творения Вселенной к ситуации, где возникновение человека выглядит естественно в рамках их представлений.

Объективизация представлений текущего момента, не исчезает ли она? — вот основная философская претензия к антропогенным идеям. Оказывается, нет, не исчезает, а может быть, только и появляется благодаря учету выделенной роли наблюдателя.

Суть объективности — не в признании какой-либо точки зрения единственно верной за счет искусственного подавления конкурирующих взглядов, а в выявлении взаимосвязи между различными точками зрения с последующим их синтезом.

Для пояснения стоит обратиться к аналогии из области физики. Ньютонова концепция абсолютного пространства казалась предельно объективированной в том плане, что для всех наблюдателей в этом пространстве часы идут совершенно одинаково. Теория относительности тоже постулирует равноправие всех инерциальных систем отсчета, но часы в них идут по-разному. Это вовсе не мешает созданию объективной картины любого движения, хотя она заведомо неодинаково выглядит из окна пригородного поезда и из иллюминатора фотонного звездолета, разогнанного почти до световой скорости.

Нечто аналогичное умению переходить в разные системы отсчета предлагает и антропогенный принцип. Я бы назвал это умение проецировать одну эволюционную ветвь на другую, имея в виду весь биосоциальный и социокультурный спектр Вселенной, допустимый законами ее эволюции.

Особая привлекательность такого подхода должна проявиться при анализе проблемы Контакта, а тем более при реальном вступлении в Контакт. Ведь мы можем столкнуться с чрезвычайно далеким от нашего собственного видением Вселенной, причем цивилизация, его имеющая, может во многих отношениях опережать нас по развитию, принадлежать даже иной биологической ветви, неизвестной на Земле. Воспринять их представления как нечто вполне естественное будет не так-то легко, потребуется обширная работа по построению методов перехода в их общую систему отсчета.

Отложив более подробную дискуссию на эту интригующую тему до следующей части, попробуем посмотреть на антропогенный принцип в несколько фантастической проекции.

Если фундаментальные и другие константы из минимального набора действительно выбирать из антропогенных соображений, то не следует ли отсюда, что появление человека — во всяком случае, разума нашего типа — как-то запрограммировано во Вселенной? Не развиваются ли с самого начала некоторые параллельные нашему миры, где с определенными вероятностями реализуются иные наборы фундаментальных констант и, уж конечно, принципиально иные формы жизни и разума? И в какой степени мы могли бы подойти к их экспериментальному изучению — в принципе контактны ли они?

Все эти вопросы — призыв к неблизкому будущему. Поскольку балансировать на грани фантастики никому еще долго не удавалось, попробуем сознательно отступить в более реалистические области, чтобы ощутить под ногами желанную почву фактов.