Составитель А.Лельевр 

                               Эврика-87

   "Эврика!" - торжествующе воскликнул когдато Архимед, поведав миру о
своем открытии.
   Конечно, можно по-разному выражать эмоции в подобных случаях, но
несомненно одно: в последнее время оснований для такого возгласа было
немало. Ведь каждый день приносит нам новые научные гипотезы, открытия и
решения. Никогда прежде наука так глубоко не проникала в тайны природы, не
знала такого широкого фронта исследований: космические корабли штурмуют
Вселенную, фантастически развивается кибернетика; биология и физика
приближают возможность управлять жизненными процессами.
   Над чем думают и о чем спорят ученые? Что проверяют экспериментаторы и
находят искатели? Какие плоды научных открытий отданы практике? О важных и
серьезных научных идеях, поисках, решениях последнего времени и
рассказывается в сборнике-ежегоднике "Эврика".
 
   24-й год издания 
   Москва "Молодая гвардия" 1987 
   Составитель А. Лельевр 
   c Издательство "Молодая гвардия"
   1987 г.
 
 
                           1. ГДЕ ГРАНИЦА МИРА?
 
                           Эксперимент "Реликт":
                             первые результаты

   Согласно принятой сейчас теории горячей Вселенной, на первой стадии
образования она представляла собой смесь вещества (элементарных частиц) и
излучения (квантов электромагнитного поля), имеющую чрезвычайно высокую
плотность и температуру. Кванты излучения тогда интенсивно
взаимодействовали с заряженными частицами и образование сгустков вещества
было невозможным: их разрушало давление фотонов. Но в процессе расширения
Вселенной температура вещества и излучения падала, и через миллион лет,
когда она опустилась ниже 4000 К, протоны и электроны начали соединяться в
атомы водорода. Электроны в этих атомах стали рассеивать фотоны значительно
слабее, чем делали это, будучи свободными, и потому после образования
водорода взаимодействие вещества и излучения прекратилось.
   Дальше они эволюционировали почти независимо: вещество под действием
гравитационных сил собиралось в скопления, а излучение продолжало
расширяться и остывать и дошло до нашего времени. Это излучение,
называемое реликтовым, равномерно заполняет Вселенную и имеет сейчас
температуру 2,9 К. В 1964 году его обнаружили экспериментально, и теория
горячей Вселенной была подтверждена на опыте.
 
   Реликтовое излучение может многое рассказывать об истории Вселенной.
   Если в момент образования атомарного водорода плотность вещества в
какойто точке была больше средней, то там была выше средней и температура,
а значит, энергия и частота излучения.
   Разница в энергии излучения из разных областей должна сохраниться до
нынешнего дня. Следовательно, сегодняшние неоднородности в распределении
интенсивности реликтового излучения по небесной сфере несут информацию о
неоднородности распределения вещества в далеком прошлом.
   Многие считают, что именно такие первичные неоднородности распределения
вещества обусловили образование галактик. Поэтому понятен интерес к
исследованию анизотропии реликтового излучения (зависимости его энергии от
направления). Помимо прочего, это исследование позволило бы определить
скорость движения Солнечной системы относительно реликтового излучения.
Ведь за счет эффекта Доплера частота квантов излучения, навстречу которым
мы движемся, повышается, а частота квантов, движущихся нам вослед, падает.
Поскольку энергия кванта пропорциональна его частоте, мощность излучения
в. направлении нашего движения будет больше, а в противоположном
направлении-меньше средней.
 
   Однако измерить анизотропию реликтового излучения достаточно сложно.
Теоретические оценки говорят, что она не превышает сотых, а то и тысячных
долей процента. Измерить такую малую величину мешает тепловое излучение
Земли и ее атмосферы. Американские и итальянские радиоастрономы пытались
проводить наблюдения с самолетов и высотных аэростатов, но достигнутая
точность не удовлетворила исследователей. Советские ученые предложили
провести наблюдения с борта искусственного спутника Земли.
   Выбор орбиты с очень высоким апогеем позволяет избавиться от помех со
стороны не только Земли, но и Луны.
   Другое важное преимущество спутникового эксперимента - возможность
длительного наблюдения. Как показывает опыт, при экспериментах на
самолетах и аэростатах каждую минуту измерений нужно оплатить примерно 10
часами подготовки, а если ту же самую аппаратуру установить на спутнике,
то ее можно использовать в принципе сколь угодно долго и значительно
сократить тем самым общее время работ.
 
   Советский эксперимент "Реликт" по измерению интенсивностей излучения из
разных точек небесной сферы был осуществлен с помощью спутника
"Прогноз-9". Регистрировал излучение созданный сотрудниками Института
космических исследований АН СССР и установленный на спутнике уникальный
радиотелескоп, который по своим возможностям превосходит все аналогичные
современные устройства. Это, по сути, настроенный на длину волны 8
миллиметров сверхчувствительный приемник с небольшими рупорными антеннами,
обеспечивающими направленный прием. Длина волны-8 миллиметров - выбрана не
случайно: более коротковолновое излучение интенсивно поглощается
межгалактической пылью, на более длинных волнах мешает шум от
галактических источников синхротронного излучения. Была разработана схема
осмотра небесной сферы радиотелескопом, которая свела до минимума
возможные погрешности измерений.
 
   Эксперимент завершен. Впервые сделан полный обзор небесной сферы с
очень высокой чувствительностью в столь высокочастотном диапазоне.
   Предварительные результаты говорят, что анизотропия реликтового
излучения - кроме анизотропии, вызванной движением Солнечной системы, не
превосходит 0,005 процента. Направление и скорость движения нашей
Галактики относительно реликтового излучения согласуются с данными
предыдущих экспериментов. Вот один из самых интересных и непредвиденных
результатов - интенсивность излучения Млечного Пути на волне 8 миллиметров
оказалась значительно выше, чем считалось ранее. Это, по-видимому, связано
с существованием гигантских областей ионизированного водорода,
расположенных в спиральных рукавах нашей Галактики. Такие области,
заполненные плазмой (смесью протонов и электронов) и ослабляющие
проходящее через них излучение, получили название Н 11-областей. Масса
самых крупных иа них превосходит массу Солнца в миллионы раз, а
температура плазмы в таких областях около 10 тысяч К.
 
   Замечена любопытная закономерность: плотность ионизированного водорода
зависит от размеров той или иной области, а конкретно: чем меньше область,
тем выше в ней плотность водорода. Объяснение этому факту пока не найдено.
Некоторые из областей удалось отождествить с объектами, наблюдаемыми
оптическими методами, другие видны лишь в радиодиапазоне.
   Установить причины их возникновения и найти разгадку необычной
зависимости плотности плазмы от размеров области - задачи дальнейших
исследований.
 
 
                         Мир без конца и без края

   Новые законы, открытые в физике элементарных частиц, заставляют
предполагать, что картина равномерно расширяющейся Вселенной - это только
одна из многих фаз "мировой истории", причем весьма далеко отстоящая от
"начала мира". В предшествующей фазе Вселенная мгновенно раздулась из
субмикроскопического ядрышка в огромный, практически бесконечный шар
раскаленного вещества. То, что до сих пор считалось всей Вселенной, на
самом деле лишь ничтожно малая остывшая частичка этого шара. Формулы новой
теории, объединившей физику элементарных частиц и космологию, говорят, что
привычные нам трехмерное пространство и одномерное время - только часть
"сторон" мира. В области малых масштабов мир, по-видимому, обладает
большим числом измерений. Такую многомерную структуру имела вся Вселенная,
когда 15-20 миллиардов лет назад она образовалась в виде ультрамалой капли
сверхплотного вещества.
 
 
              Коперник и Фридман - две революции в космологии

   Насколько велика сила привычки и предубеждений, видно, например, из
того, что Галилео Галилей - ученый, едва не попавший на костер инквизиции
за приверженность идеям Коперника,- в молодости был их ярым противником.
Воспитанный по канонам церкви, он впервые услышал об идеях Коперника на
лекциях в университете и искренне считал их очевидной глупостью.
 
   - Я спрашивал об этом многих из числа бывших на лекциях,-вспоминал он
впоследствии,- и увидел, что эти лекции служили неистощимым предметом для
насмешек.
 
   Мысль Коперника о том, что в представлениях людей об устройстве мира
надо поменять местами Солнце и Землю, казалась просто издевательством над
здравым смыслом. Но именно эта мысль сняла путы с человеческого мышления и
открыла дорогу для построения все более точной научной картины мира.
 
   В последующие столетия стараниями астрономов, математиков и физиков
было получено огромное количество новых сведений о явлениях природы,
картина мира стала несравненно более полной и совершенной. Уровень XX века
трудно сравнивать с полунаучнымиполурелигиозными воззрениями Коперника и
его последователей. Тем не менее все эти столетия представления о строении
мира как целого оставались в своей основе, по существу, неизменными.
Бесконечное пространство, заполненное сгустками кипящей материи -
звездами, шарики планет вокруг них, разреженный межзвездный газ и пыль.
Такая модель бесконечной и вечной Вселенной господствовала в науке вплоть
до середины нашего века. Уточнялись и изменялись детали, иногда целые
фрагменты, но убеждение в том, что окружающий мир не имеет конца и края в
пространстве и времени, сохранялось. Считалось, что количественные и
качественные изменения происходят лишь в отдельных участках Вселенной.
Планеты, звезды, жизнь - все имеет свой срок существования. Однако,
погибнув в одном месте, они возникают и проходят все стадии эволюции в
другом, в целом же в своих глобальных свойствах мир остается неизменным.
 
   Перелом произошел, в общем-то, совсем недавно - после того, как в 1922
году петроградский ученый, геофизик и математик Александр Александрович
Фридман опубликовал в немецком физическом журнале (в то время было принято
печататься в иностранных журналах) свою теорию рождения пространства и
времени "из точки".
   Анализируя уравнения только что созданной общей теории относительности,
он пришел к выводу, что, образовавшись в какой-то момент времени (откуда и
как - этого его теория не могла сказать), Вселенная стала "разбухать",
извергаться из точки, равномерно расширяясь во все стороны.
 
   Идея рождающегося и расширяющегося мира настолько резко противоречила
глубоко укоренившимся "очевидным" мировоззренческим представлениям, что
большинству ученых она показалась просто фантастической. На нее смотрели
как на некоторую чисто математическую модель, описывающую нереализующийся
в природе случай,- ведь, как известно еще из школы, при решении уравнений
иногда получаются лишние решения, которые приходится отбрасывать, исходя
из условий задачи.
 
   Согласитесь, трудно принять теорию, какой бы математически изящной она
ни была, если в ней речь идет о "начале мира" и вместе с тем без ответа
остается вопрос о том, что же было раньше, 
   "когда еще не было ни пространства, ни времени"! Неясно даже, какой
смысл имеет здесь само понятие "раньше"... Казалось, теория полна
противоречий и парадоксов.
 
   С удовлетворением встретила ее только церковь. Еще бы, теория
относительности, которая только что получила блестящее подтверждение в
наблюдении искривления световых лучей гравитационным полем Солнца, теория,
о которой с восторгом писали все газеты, доказывает начало мира и, по
существу, оправдывает библейские тексты!
   Я видел изданный за границей журнал, где прямо говорилось, что, когда
ученые с большим трудом, в поте лица своего поднялись на сияющую вершину
знаний, они с удивлением обнаружили давно поджидавших их там теологов.
   Ни больше, ни меньше!
 
   Правда, о подтверждении своих пророчеств с таким же правом могли бы
говорить и безвестные авторы древнеиндийской "Книги гимнов" Ригведы,
которые раньше Библии говорили о цепи следующих друг за другом рождений и
смертей Вселенной. За свою долгую историю люди придумали много сказочных
(религиозных) и несказочных (научных) объяснений природы. Различаются они
тем, что научные выводы, даже самые удивительные и диковинные,- это не
просто утверждения, в которые нужно лишь верить, все они могут и должны
быть обоснованы и проверены опытом.
 
   А наблюдения приносили все новые и новые подтверждения фантастической
теории Фридмана. Американский астроном Эдвин Хаббл обнаружил разбегание,
удаление друг от друга звезд и галактик, как будто окружающее их
пространство действительно раздвигается во всех своих точках, "разбухает",
подобно тесту в квашне. Физик Г. Гамов выдвинул гипотезу о том, что
рождение Вселенной, о котором идет речь в теории Фридмана, представляет
собой гигантский взрыв, где в условиях огромных температур и давлений
"сварилось" атомное вещество нашего мира.
 
   Относительная распространенность водорода, гелия и других химических
элементов на Земле и в космосе хорошо согласуется с механизмом
"первородного взрыва, о чем свидетельствуют геологические и
астроспектроскопические измерения. Более того, американские
физики-экспериментаторы А. Пензиас и Р. Вильсон вскоре обнаружили
предсказанное Гамовым рассеянное по всему пространству остаточное тепловое
излучение этого взрыва. В пользу теории Фридмана говорило также множество
косвенных данных. И постепенно, несмотря на ее, казалось бы, "очевидную
невозможность", поражающая воображение картина рождающейся "из ничего" и
эволюционирующей Вселенной завоевала признание.
 
   Безусловно, это одна из тех идей, которые знаменитый датский
физик-теоретик Нильс Бор относил к разряду "сумасшедших". Подобно тому,
как это случилось во времена Коперника, произошел прорыв устоявшегося
мировоззрения, раскрепостивший наше мышление и открывший дорогу дальнейшим
теоретическим обобщениям. Космология, считавшаяся ранее одной из наиболее
консервативных наук, в последние десятилетия стала в ряд наиболее быстро
развивающихся разделов знания.
   Какую же судьбу предсказывает миру современная космология?
 
 
                        Рождение и смерть Вселенной

   Как и любая другая научная концепция, теория Фридмана приближенна и
имеет границы своей применимости.
   В частности, ее заведомо нельзя использовать в области очень малых
пространственно-временных масштабов, где важны не учитываемые ею квантовые
эффекты. Здесь космологическая модель Фридмана может приводить к
парадоксальным результатам, например, к выводу о рождении Вселенной "из
ничего" - из абсолютной, безразмерной точки. Это похоже на то, как
классическая (неквантовая) электродинамика Максвелла предсказывает
неизбежную гибель всех атомов, поскольку согласно ее законам каждый
вращающийся электрон, теряя энергию на излучение, обязательно должен
упасть на ядро. Такие выводы - незаконная экстраполяция теории за область
ее справедливости. Ультрамалые масштабы в окрестностях "начала мира" -
предмет квантовой космологии, которая еще только создается.
 
   А пока можно лишь утверждать, что 15-20 миллиардов лет назад (эту
оценку дают астрономические наблюдения)
   Вселенная имела микроскопические размеры. Если ее масса недостаточно
велика, то, непрерывно расширяясь, Вселенная будет увеличивать свои
размеры беспредельно. В противном случае ("тяжелая Вселенная") наступит
время, когда силы гравитационного притяжения остановят расширение и
начнется обратный цикл сжатия мира "почти в точку".
 
   Какой из этих двух сценариев реализуется в действительности, пока
неясно.
   Правда, с житейской точки зрения они почти не различаются, так как если
сжатие и начнется, то это случится, повидимому, не ранее чем через 1040-
1050 лет, когда Вселенная станет похожей на темный зал, заполненный газом
легких элементарных частиц - длинноволновых фотонов, нейтрино,
электрон-позитронных пар с редкими островами "черных дыр", которые
медленно испаряются, превращаясь в газ элементарных частиц. Расчеты
показывают, что это наиболее продолжительная по времени, можно сказать,
основная фаза нашего мира.
 
   Что последует за сжатием: повторное рождение и расширение Вселенной или
какая-либо иная ее фаза,- это пока за пределами наших знаний.
 
   В случае, если гравитационные силы не остановят расширения, то через
10100 лет, когда размеры Вселенной достигнут чудовищной величины - грубо
говоря, в 10"ё километров, она полностью превратится в чрезвычайно
разреженный газ легких элементарных частиц, которым распадаться уже не на
что. Почти пустое мертвое пространство.
 
   Впрочем, природа в многообразии своих свойств превосходит любую
человеческую фантазию, поэтому не исключено (а с философской точки зрения
даже очень вероятно!), что какие-то неизвестные нам процессы
воспрепятствуют осуществлению безрадостной картины полностью омертвевшего
мира. Возможно, это будет связано с учетом сложной многоярусной структуры
Вселенной, где развитие принимает непривычный для нас многоплановый
характер с разными пространственными масштабами и ритмами времени.
 
 
                          Многоэтажная Вселенная

   Мы привыкли к тому, что в мире одно время, а пространственная
бесконечность всегда - увеличение размеров. На самом деле природа,
по-видимому, устроена значительно хитрее. В экстремальных условиях
первичного взрыва концентрация массы в отдельных участках могла стать
настолько большой, что под действием сильного гравитационного притяжения
расширение пространства сменялось его сжатием, в результате чего возникали
почти самозамкнувшиеся, "схлопнувшиеся" области пространства-времени.
   Теория говорит, что внутренние и внешние масштабы в этом случае
оказываются различными. С внешней стороны такие полузамкнувшиеся области
выглядят как микроскопические объекты, а изнутри они могут быть огромными
космическими мирами. Внутри их, в свою очередь, могут образоваться
полузамкнувшиеся районы - "частицы-вселенные" и так далее. Мир становится
многоэтажным, многоярусным.
 
   Конечно, едва ли однообразная цепочка взаимовложенных миров тянется без
конца, ведь всякая теория ограничена и не может претендовать на описание
природы "до бесконечности".
   С развитием науки непременно обнаружатся законы, которые внесут свои
коррективы в области очень большого и очень малого. Философы говорят, что
ни в одном процессе не может быть бесконечного повторения; постепенно
накопятся мелкие изменения, и в конце концов произойдет качественный
скачок - в игру вступят новые закономерности. Это общий закон природы.
 
   Если локальная концентрация массы очень велика, то пространство может
полностью самозамкнуться и от Вселенной отпочкуется новая Вселенная, не
имеющая с прежней абсолютно никаких общих точек. Получается, что из одного
изолированного мира никак нельзя попасть в другой. Самозамкнувшийся мир
стягивается в безразмерную точку, исчезает в "материнской" Вселенной.
 
   Кажется, мы натолкнулись на противоречие - ведь философия учит, что в
природе все взаимосвязано и не может быть абсолютно недоступных,
принципиально непознаваемых объектов...
 
   Все встает на свои места, если принять во внимание квантовые эффекты.
   "Материнский" и исчезнувший "дочерний" миры все же остаются связанными
между собой спонтанными квантовыми флуктуациями, тоннельными переходами,
благодаря чему частицы и информация из одного мира могут "просочиться" в
другой. Вселенная остается единой, связанной всеми своими частями.
 
   Если для наглядности представить себе Вселенную двухмерной, вроде
поверхности глобуса, то вместе с отпочковавшимися "дочерними" мирами она
будет чем-то вроде суммарной поверхности ягод в виноградной грозди, где
каждая ягодка-глоб