Пульсирующая Вселенная - Николай Николаевич Горькавый

2.4. Ричард Толмен и энтропии циклической Вселенной (1934)

Теорема 13. То количество движения и покоя, которое Бог однажды сообщил материи, и теперь еще сохраняется его содействием.

Доказательство. Так как Бог есть причина движения и покоя, то он сохраняет их той же силой, которой он их сотворил, а именно в том же количестве, в котором он их первоначально сотворил, что и требовалось доказать.

Б. Спиноза, «Основы философии Декарта, доказанные геометрическим способом» (1663)

В 1931 году Ж. Леметр опубликовал в журнале Nature короткую заметку с гипотезой, что причиной расширения Вселенной может быть ядерный взрыв. Он предположил «возникновение Вселенной из одного-единственного атома, чей атомный вес был бы равен полной массе Вселенной. Такой крайне нестабильный атом начал бы делиться на все меньшие атомы в ходе некоего сверхрадиоактивного процесса».

Эта элегантная теория «протоатома» (Леметр называл ее «теорией фейерверка») отвечала тогдашнему уровню физики и недавнему обнаружению делимости радиоактивных элементов. Но такой «ядерный сценарий» эволюции Вселенной должен был приводить к обилию тяжелых элементов, потому что самым «прочным» химическим элементом, с наибольшим уровнем ядерных скрепляющих сил, является железо. Процесс развала огромных гипотетических атомных ядер исследовали такие известные физики-ядерщики, как Мария Гепперт-Мейер (1906–1972), лауреат Нобелевской премии, и Эдвард Теллер (1908–2003), которого называют отцом водородной бомбы. Они оба показали, что в результате леметровского ядерного взрыва самыми распространенными элементами во Вселенной должны были быть тяжелые элементы от железа до урана. В реальности железо и его соседи по таблице Менделеева являются лишь небольшой примесью в химическом составе Вселенной, где царит водород и гелий, поэтому идея «протоатома» Леметра не подтвердилась наблюдениями.

Эйнштейн считал вопрос о начале Вселенной не очень серьезным, ведь он был склонен считать Вселенную стационарной. Леметр рассказал Илье Пригожину (1917–2003) следующую историю. Когда Леметр заговорил с Эйнштейном о начале Вселенной, автора ОТО это не заинтересовало: «Это слишком похоже на акт творения, — сказал он Леметру, — сразу видно, что вы священник!» (Пригожин И. «Эйнштейн, триумфы и коллизии»).

Искать связь между пространственно-временным расширением Вселенной и конкретной физической причиной этого раздувания решились редкие ученые. Пригожин говорит о законе Хаббла: «Связь между этим законом и „взрывающейся“ вселенной Фридмана и Леметра была очевидна. Однако большинство физиков долгое время безмолвствовали перед этим описанием Вселенной в историческом развитии».

Тем не менее нашелся ученый, который решил изучить расширяющуюся и пульсирующую Вселенную с точки зрения термодинамики — словно Вселенная была огромной паровой машиной. Ричард Толмен, профессор Калифорнийского технологического института, написал в 1934 году выдающуюся монографию «Относительность, термодинамика и космология», которая не устарела до сегодняшнего дня. В этой книге он особое внимание уделил циклической модели Вселенной, которую он рассматривал как наиболее реалистичный случай в пределе нулевой космологической постоянной. Толмен считал: «...в настоящее время не существует никакой теории, с помощью которой можно было бы хоть как-нибудь вычислить величину космологической постоянной», тем самым, как он полагал, «следует обратить особое внимание на осциллирующие модели, которые в этом случае становятся единственно возможными для описания закрытой Вселенной».

Толмен представлял Вселенную в виде своеобразного поршневого двигателя: «...ситуация здесь аналогична классическому случаю цилиндра с теплоизолированными стенками и движущимся поршнем, в котором происходит непрерывная последовательность сжатий и расширений диссоциирующего газа. При этом энергия и энтропия непрерывно возрастают до тех пор, пока хватает внешней энергии для очередного сжатия. В релятивистском же случае источником внешней энергии может служить потенциальная энергия гравитационного поля, связанная с плотностью эйнштейновского псевдотензора...»[6]

Это был очень нетривиальный вывод. Клаузиус полагал, что Вселенная, как и все замкнутые системы, без внешних источников энергии должна остыть вплоть до «тепловой смерти». Илья Пригожин ввел понятие открытых систем, которые способны к самоорганизации, потому что к ним есть подвод внешних потоков энергии или вещества. Толмен же высказал мысль, что гравитационные системы — особенные, они благодаря внутренней гравитационной энергии, даже будучи замкнутыми, могут развиваться, испытывать неустойчивости, порождающие структуры, и пульсировать. Действительно, если мы замкнем большой объем космического газа в непроницаемую оболочку, то это не запретит образование внутри этого объема новых звезд и планет благодаря самогравитации газа, которая приводит к неустойчивости Джинса.

Толмен, показав способность замкнутой системы к гравитационной самоорганизации, одновременно установил энтропийный предел на ее развитие. В своей книге он доказывал, что циклическая Вселенная обязана накапливать энтропию, тем самым она не будет, строго говоря, цикличной: «...хотя модель во время расширения или сжатия может проходить через состояния, в которых в некоторый момент выполняются условия, соответствующие физико-химическому равновесию, тем не менее очевидно, что энтропия каждого элемента жидкости в конечном счете должна возрастать беспредельно, покуда происходят необратимые сжатия и расширения».

Это доказательство произвело такое сильное впечатление на сообщество физиков, что интерес к модели циклической Вселенной значительно ослаб. Многие физики, например Я. Б. Зельдович, решили, что вывод Толмена запрещает модели циклической Вселенной.

В 30-е годы XX века космология отступила на второй план перед лицом тогдашних трагических мировых событий. Германия, которая по праву считалась лидером научного сообщества, впала в слабоумие агрессивного национализма. В результате масса европейских ученых, включая Эйнштейна, эмигрировали в США, благодаря чему Германия навсегда перестала быть научной сверхдержавой, а немецкий язык потерял статус мирового языка науки. Разразившаяся Вторая мировая война заставила правительства разных стран мобилизовать своих ученых на создание атомной и термоядерной бомб, ракет, радаров и прочего новейшего вооружения. Например, космолог Толмен занял видное положение в Манхэттенском проекте по созданию атомной бомбы.

Неудивительно, что следующий шаг в развитии космологии сделал одессит Георгий (Джордж) Гамов (1904–1968), эмигрировавший из СССР. Его биография значительно ограничивала участие в военных программах США, что оставляло ученому, который стал профессором университета имени Джорджа Вашингтона, достаточно времени для космологии, биологии и написания научно-популярных книжек.

2.5. Горячая Вселенная и Большой отскок Георгия Гамова (1946–1953)

Эта «космология большого взрыва» стала к настоящему времени общепринятой в основном благодаря энергичному характеру самого Гамова.

Нобелевский лауреат Х. Альвен, противник теории Большого взрыва

Некоторые ученые отвергали идею взрывного образования Вселенной очень долго, считая, что наблюдательный факт расширения Вселенной еще не означает того, что Вселенная раньше была маленьким и плотным объектом, впоследствии взорвавшимся. В середине XX века была популярна теория одноразовой Вселенной, выдвинутая Германом Бонди, Томасом Голдом и Фредом Хойлом, которая предполагала, что космос каким-то образом рождает по одному атому водорода в год в объеме «небоскреба средних размеров» (цитата из книги Ф. Хойла «The Nature of the Universe», 1950), отчего изначально холодная Вселенная бесконечно расползается, как