Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной

ПРЕДИСЛОВИЕ

Эта книга возникла из доклада, сделанного мной на церемонии открытия научного центра для студентов младших курсов в Гарварде в ноябре 1973 года. Эрвин Глайкс, президент и издатель фирмы Basic Books, услышал от нашего общего друга Дэниэла Белла об этом докладе и убедил меня превратить его в книгу.

Поначалу эта идея не вызвала у меня восторга. Хотя время от времени я и вносил малую лепту в исследования по космологии, все же моя работа значительно больше была связана с физикой микромира — теорией элементарных частиц. Кроме того, физика элементарных частиц чрезвычайно бурно развивалась в последние несколько лет, и я уже провел слишком много времени в отрыве от нее, занимаясь сочинением популярных статей для разных журналов. Мне очень хотелось отдать, наконец, все свое время моей естественной среде обитания — журналу Physical Review.

Однако скоро я обнаружил, что не могу выбросить из головы мысль о книге, посвященной ранней Вселенной. Что может быть интереснее проблемы Генезиса? Кроме того, именно при изучении ранней Вселенной, особенно первой сотой доли секунды ее существования, проблемы теории элементарных частиц пересекаются с проблемами космологии. Наконец, сейчас настало хорошее время для того, чтобы написать книгу о ранней Вселенной. Как раз в последнее десятилетие детальная теория развития событий на ранней стадии существования Вселенной под названием «стандартной модели» стала общепринятой.

Очень примечательно, что есть возможность сказать, на что была похожа Вселенная в конце первой секунды, или первой минуты, или первого года. Каждый физик рад, что он может получать числовые результаты, что он способен сказать, что в такой-то и такой-то моменты времени температура, плотность и химический состав Вселенной имели такие-то и такие-то значения. Откровенно говоря, мы не абсолютно уверены во всем этом, но весьма волнует, что сейчас мы способны говорить о подобных вещах хоть с какой-то долей уверенности. Именно это волнение я и хотел донести до читателя.

Пожалуй, надо сказать, на кого рассчитана эта книга. Я писал для читателя, который хочет разобраться в ряде подробно изложенных доводов, но который при этом плохо знаком с математикой или физикой. Хотя мне пришлось объяснить несколько довольно сложных научных идей, в основном тексте книги не используется математика, кроме арифметики, и почти не предполагается знание читателем физики или астрономии. Я пытался быть очень внимательным при определении научных понятий там, где они впервые используются, а в приложении поместил словарь физических и астрономических терминов. Я также писал там, где это возможно, числа вроде «сто миллиардов» полностью словами, вместо того, чтобы использовать более удобную научную запись: 1011.

Однако все это не означает, что я старался написать легкую книгу. Когда юрист пишет для широкой публики, он предполагает, что она незнакома, например, с французским законодательством или с законом против пожизненной ренты, но из-за этого он не думает о публике слишком плохо и, в то же время, не снисходит до ее уровня. Я хочу поступить так же: читатель представляется мне в облике ловкого старого адвоката, который не умеет говорить на моем языке, но который, по крайней мере, надеется услышать несколько убедительных аргументов прежде, чем составит собственное мнение.

Для тех читателей, которые хотели бы увидеть некоторые вычисления, лежащие в основе доводов, приведенных в книге, я подготовил «Математическое дополнение», следующее за основным текстом. Уровень использованной там математики должен сделать эти замечания доступными для каждого, кто обладает знаниями студента-младшекурсника, специализирующегося в любой области физики или математики. К счастью, наиболее важные расчеты в космологии действительно просты; только в отдельных местах начинают играть роль более тонкие вещи, связанные с общей теорией относительности или ядерной физикой. Читатель, который захочет продолжить изучение предмета на более техническом уровне, найдет ссылки на ряд более сложных руководств (включая мое собственное) в «Предложениях для дальнейшего чтения».

Хочу также пояснить, что именно я намереваюсь рассмотреть в этой книге. Она, безусловно, не касается всех аспектов космологии. Существует «классическая» часть предмета, которая имеет дело, главным образом, с крупномасштабной структурой сегодняшней Вселенной, сюда относятся споры вокруг внегалактической природы спиральных туманностей; открытие красных смещений у далеких галактик и зависимость этих смещений от расстояния; связанные с общей теорией относительности космологические модели Эйнштейна, де Ситтера, Леметра и Фридмана и тому подобное. Эта часть космологии уже была очень хорошо описана во многих превосходных книгах, и я не собирался давать еще один полный обзор этой темы. Данная книга посвящена ранней Вселенной и в особенности тому новому пониманию ранней Вселенной, которое возникло после открытия в 1965 году космического фона микроволнового излучения.

Конечно, теория расширения Вселенной является существенной составной частью наших сегодняшних представлений о ранней Вселенной, поэтому я был вынужден дать в главе II краткое введение в более «классические» вопросы космологии. Я надеюсь, что даже для читателей, полностью незнакомых с космологией, эта глава даст соответствующую основу для понимания недавних достижений в теории ранней Вселенной, чему посвящена остальная часть книги. Однако читателю, желающему подробнее изучить более старые разделы космологии, рекомендуется обратиться к книгам, упомянутым в «Предложениях для дальнейшего чтения».

В то же время, мне не удалось найти последовательного исторического обзора недавних достижений в космологии. Поэтому я был обязан сам заняться небольшими раскопками, особенно в связи с поразительным вопросом, почему задолго до 1965 года не было поисков космического фона микроволнового излучения (этот вопрос обсуждается в главе VI). Я не хочу сказать, что рассматриваю данную книгу как точную историю указанных достижений, — у меня достаточно уважения к тем усилиям и тому вниманию к деталям, которые нужны в истории науки, чтобы питать на этот счет какие-то иллюзии. Все же я был бы счастлив, если бы настоящий историк науки использовал эту книгу в качестве отправной точки и написал адекватную историю последнего тридцатилетия космологических исследований.

Я чрезвычайно признателен Эрвину Глайксу и Фарреллу Филипсу из фирмы Basic Books за их ценные предложения при подготовке рукописи к печати. Мне трудно выразить словами, как мне помогли во время написания этой книги добрые советы моих коллег — физиков и астрономов. За труд по чтению и рецензированию отдельных частей книги я хочу особенно поблагодарить Ральфа Альфера, Бернарда Берка, Роберта Дикке, Джорджа Филда, Гэри Файнберга, Уильяма Фаулера, Роберта Хермана, Фреда Хойла, Джима Пиблза, Арно Пензиаса, Билла Пресса, Эда Перселла и Роберта Вагонера. Я также признателен Айзеку Азимову, Бернарду Коэну, Марте Лиллер и Филиппу Моррисону за информацию по отдельным вопросам. Я особенно благодарен Найгелу Кальдеру, прочитавшему целиком первый вариант рукописи и сделавшему ряд глубоких замечаний. Я не могу надеяться на то, что эта книга полностью свободна от ошибок и неясностей, но я уверен, что она стала намного яснее и точнее, чем могла бы быть без той вдохновляющей помощи, которую мне посчастливилось получить.

Кембридж, Массачусетс,

июль 1976 года