Первые три минуты современный взгляд происхождение вселенной
© Steven Weinberg, 1977, 1988, 1993
© Перевод. В. Строков, 2018
© Издание на русском языке AST Publishers, 2019
Предисловие автора к первому изданию
Эта книга родилась из материалов лекции, которую я прочитал в ноябре 1973 г. в Гарварде на официальном открытии Учебно-научного центра. Эрвин Глайкс, президент издательства «Бейсик Букс», узнал об этом докладе от нашего общего друга Дэниела Белла и настоятельно посоветовал расширить его до книги.
Поначалу я был не в восторге от этой идеи: хотя изредка и обращаюсь к космологическим задачам, в основном моя работа посвящена исследованию природы на малых расстояниях, т. е. физики элементарных частиц. В последние годы эта область очень бурно развивается. А поскольку так получилось, что я много времени уделял написанию научно-популярных статей в различные журналы и оказался от нее несколько в стороне, мне хотелось полностью погрузиться в свою естественную среду обитания и вновь заняться физикой элементарных частиц.
Однако, к своему удивлению, я никак не мог перестать думать о книге про раннюю Вселенную. Наверное, ничто так не будоражит воображение, как загадка начала Бытия. Кроме того, именно в ранней Вселенной в полной мере проявляется неразрывная связь между физикой элементарных частиц и космологией – во всяком случае в первую сотую долю секунды. Наконец, писать о ранней Вселенной самое время именно сейчас: за последнее десятилетие подробная теория идущих в ней процессов получила в научном сообществе статус «стандартной модели».
Это потрясающе, что мы вообще можем говорить о том, как выглядела Вселенная через секунду, минуту или год. Физики пребывают на седьмом небе от счастья, когда им удается описать нечто цифрами, сказать, что в такой-то момент времени температура, плотность и процентный состав химических элементов во Вселенной имели такие-то значения. Конечно, мы не в состоянии утверждать наверняка, но разве не прекрасна возможность сказать о том периоде хоть что-то? Потрясающее ощущение мне и хотелось бы передать читателю.
Стоит сказать пару слов о том, кому адресована эта книга. Она написана для читателя, которого не пугают замысловатые логические цепочки, но который при этом далек от математики и физики. Несмотря на то что речь идет о непростых научных концепциях, в основном тексте используется исключительно школьная арифметика. Поэтому от читателя не требуется специальных знаний в области физики и астрономии. При первом упоминании какого бы то ни было термина я считал себя обязанным разъяснить его значение. Кроме того, составил глоссарий физических и астрономических понятий (с. 215). Наконец, там, где это позволял контекст, я писал числа вроде «сто миллиардов» прописью, а не цифрами (10 11 ), как это принято в точных науках.
Все вышесказанное, однако, не означает, что я хотел лишь развлечь читателя. Когда юрист пишет для широкой публики, он не ожидает, что она разбирается в правах наследования или знает другие значения слова «ничтожный», кроме общеизвестного. Но для автора это не повод переходить на снисходительный тон. Я, в свою очередь, тоже не хочу остаться в долгу: на месте читателя представляю закаленного судебными баталиями адвоката, который хоть и не говорит на моем языке, но, прежде чем сформировать свое собственное мнение, по праву ждет убедительных доводов.
Если же читателю захочется увидеть формулы, на которых строится моя аргументация, он может заглянуть в «Математическое приложение» в конце книги (с. 233). Используемый там аппарат вполне доступен пониманию всех, кто имеет степень бакалавра по какой-либо физической или математической дисциплине. К счастью, основные формулы космологии довольно просты – лишь иногда приходится обращаться к отдельным главам общей теории относительности и ядерной физики. Читателю же, который почувствует потребность углубиться в предмет и проследить все выкладки более подробно, могу посоветовать список научных трудов (включая мои) из «Рекомендуемой литературы для углубленного чтения» (с. 283).
Поясню также, какие проблемы я хотел затронуть в этой книге. Назвать ее исчерпывающим трудом по космологии никак нельзя, нет. К классической космологии относятся главным образом вопросы, связанные с крупномасштабной структурой современной Вселенной: дебаты по поводу внегалактической природы спиральных туманностей, открытие красного смещения далеких галактик и его зависимости от расстояния, основанные на общей теории относительности космологические модели Эйнштейна, де Ситтера, Леметра и Фридмана и прочее. Этому посвящено немало замечательных книг, и я не планировал написать еще один толстый учебник. Настоящая книга – о ранней Вселенной. Точнее, о наших о ней представлениях, сформировавшихся сравнительно недавно – вслед за открытием в 1965 г. реликтового излучения.
Безусловно, теория расширяющейся Вселенной – один из краеугольных камней современных взглядов на происхождение мироздания. Поэтому я не мог обойтись без краткого экскурса в «классическую» космологию, которой посвящена глава 2. Как мне кажется, в ней содержатся все сведения, необходимые читателю (даже если он никогда не имел дела с космологией) для ознакомления с новейшими достижениями теории ранней Вселенной, о которых пойдет речь дальше. А желающие получить более полное представление об основах космологии могут воспользоваться списком «Рекомендуемой литературы для углубленного чтения».
С другой стороны, я так и не нашел ни одного более или менее последовательного изложения новейших достижений в космологии, поэтому пришлось покопаться в литературе самому. В частности, меня интересовал весьма животрепещущий вопрос о том, почему никто не пытался целенаправленно искать реликтовое излучение задолго до 1965 г. (речь об этом пойдет в главе 6). Впрочем, я отнюдь не претендую на полное историческое описание этих открытий: слишком глубоко ценю кропотливый труд историков науки, чтобы иметь какие-либо иллюзии на сей счет. Скажу больше: я был бы рад, если бы какой-либо профессионал, взяв эту книгу за основу, написал полноценный исторический труд о событиях, свершившихся в космологии в последние 30 лет.
Я безмерно благодарен Эрвину Глайксу и Фарреллу Филлипсу из Basic Books за ценные замечания, сделанные ими во время подготовки данной рукописи к публикации. Мне также трудно в полной мере выразить словами свою признательность коллегам – физикам и астрономам – за их советы, облегчившие написание этой книги. Хотел бы особо поблагодарить Ральфа Алфера, Бернарда Бурке, Роберта Дикке, Джорджа Филда, Гари Фейнберга, Уильяма Фаулера, Роберта Германа, Фреда Хойла, Джима Пиблса, Арно Пензиаса, Билла Пресса, Эда Пёрселла и Роберта Вагонера за время, потраченное ими на то, чтобы прочитать отдельные отрывки и высказать свое мнение о них. Я также признателен Айзеку Азимову, И. Бернарду Коэну, Марте Лиллер и Филипу Моррисону за консультации по различным специальным вопросам. Отдельное спасибо Найджелу Колдеру, прочитавшему первый вариант от начала до конца и высказавшему конструктивные замечания. Было бы слишком самонадеянно думать, что теперь из текста исчезли все ошибки и туманные моменты. Однако о той ясности и точности, которую книга приобрела сейчас, будь я лишен оказанной так кстати щедрой поддержки, можно было бы, я уверен, только мечтать.
Предисловие автора ко второму изданию
Астрономические наблюдения последних лет в общих чертах подтверждают космологическую теорию, какой мы ее себе представляли в 1977 г., когда книга «Первые три минуты» впервые увидела свет. Но за прошедшие 16 лет прояснились некоторые загадки, возникли новые проблемы, были выдвинуты новаторские идеи, касающиеся очень раннего периода истории Вселенной (первой секунды)… Поэтому я несказанно рад выходу второго издания «Первых трех минут», в послесловии к которому мне представилась возможность привести книгу в соответствие требованиям времени. Я признателен Мартину Кесслеру из Basic Books за редактирование новой версии, а также Полу Шапиро и Этану Вишниаку – за ценные замечания к послесловию.
Источник
Первые три минуты
В книге крупнейшего американского физика-теоретика популярно и увлекательно рассказывается о современном взгляде на происхождение Вселенной. Описаны факты, подтверждающие модель «горячей Вселенной», рассказана история фундаментальных астрофизических открытий последних лет. С большим мастерством и научной точностью излагается эволюция Вселенной на ранних стадиях ее развития после «Большого взрыва».
В новое издание вошла также нобелевская лекция С. Вайнберга, в которой описывается история возникновения единой теории слабых и электромагнитных взаимодействий.
Для читателей, интересующихся проблемами космологии.
ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА РУССКОГО ПЕРЕВОДА 1
I. ВВЕДЕНИЕ: ВЕЛИКАН И КОРОВА 2
II. РАСШИРЕНИЕ ВСЕЛЕННОЙ 4
III. КОСМИЧЕСКИЙ ФОН МИКРОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 11
IV. РЕЦЕПТ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ГОРЯЧЕЙ ВСЕЛЕННОЙ 19
V. ПЕРВЫЕ ТРИ МИНУТЫ 23
VI. ИСТОРИЧЕСКОЕ ОТСТУПЛЕНИЕ 27
VII. ПЕРВАЯ СОТАЯ ДОЛЯ СЕКУНДЫ 29
VIII. ЭПИЛОГ: ПЕРСПЕКТИВЫ 33
СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ 34
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ДОПОЛНЕНИЕ 37
ДОПОЛНЕНИЯ РЕДАКТОРА РУССКОГО ПЕРЕВОДА 39
ПРЕДЛОЖЕНИЯ ДЛЯ ДАЛЬНЕЙШЕГО ЧТЕНИЯ 46
Приложение — ИДЕЙНЫЕ ОСНОВЫ ЕДИНОЙ ТЕОРИИ СЛАБЫХ — И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ 47
Цитированная литература 53
Стивен Вайнберг
ПЕРВЫЕ ТРИ МИНУТЫ
Современный взгляд на происхождение Вселенной
ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА РУССКОГО ПЕРЕВОДА
Вселенная представляет собой уникальный, всеобъемлющий предмет для размышления и изучения. Предлагаемая книга уникальна по своему стилю: сложные вопросы, находящиеся в центре внимания современной науки, излагаются простым языком, без математических формул, доступно для читателя, обладающего общей культурой, и неспециалиста в области физики или астрономии. Наконец, уникален и сам автор книги, известный американский физик-теоретик Стивен Вайнберг — автор первоклассных достижений в теории элементарных частиц . Но Вайнберг не замыкается в этой тематике. Он прекрасно знает и классическую физику и живо интересуется смежными науками, особенно астрономией.
Соединение трех уникальных качеств (тема книги, способ изложения и личность автора) приводит к замечательному результату. Благодаря ей самые широкие круги читателей приобщаются к современной науке. Немало молодых читателей под влиянием предлагаемой книги выбирают теоретическую физику и астрофизику как будущую свою специальность.
Хочется особо отметить те места книги, где автор высказывается об исследовательской работе и законах развития науки в общем плане. На примере космологии он показывает, каким, по его мнению, должно быть соотношение между теорией и опытом, наблюдениями. Это, прежде всего, высказывание, что нельзя работать совсем без теоретических «предубеждений», но нужно уметь выбрать правильные предубеждения.
Но Вайнберг показывает и подчеркивает и другую сторону дела: объективную закономерность, необходимость и неизбежность тех выводов, к которым приходит наука. Он показывает, как в конечном счете опыт и наблюдения решают судьбу теорий, как опыт становится верховным судьей истины. Поучительный пример, приводимый автором, — судьба печально знаменитой теории стационарной Вселенной с непрерывным рождением вещества, компенсирующим расширение. Симпатизируя философским аспектам этой теории, Вайнберг указывает на то, что наблюдения безусловно отвергли теорию стационарной Вселенной. Он говорит о высшей объективности коллективного разума ученых разных специальностей.
Отдельные личности, талантливые или влиятельные, могут ускорить или замедлить успех правильной точки зрения, но никому не дано навязать природе и человечеству неверную теорию. Правильность или ошибочность той или иной определенной теории является объективным фактом. Другое дело, что для установления этого факта иногда требуется большое время, годы или десятилетия, и в течение этого времени теория находится в неопределенном состоянии. В этот период может быть правильнее называть ее гипотезой.
Заметим, наконец, что когда правильность теории установлена, то одновременно выясняются и границы применимости теории и открываются новые горизонты дальнейших исследований. Весь опыт двадцатого века учит такому соотношению; наилучшим примером является классическая механика, верная в пределе малых скоростей (иначе нужна теория относительности) и больших масс, импульсов, перемещений (иначе нужна квантовая теория).
В изложении Вайнберга теоретические положения оживают. Он рассказывает не только о судьбе Вселенной, но и об истории ее исследования.
Редактор в примечаниях отметил некоторые этапы, принадлежащие истории космологии и, в частности, истории советских работ, недостаточно отраженные в книге.
В целом, однако, Вайнбергу удалось великолепно показать ту драму идей, борьбу, сотрудничество и переплетение различных школ мышления, без которых не обходится развитие науки. Поэтому книга Вайнберга оказалась такой увлекательной, получила такую широкую аудиторию и полное признание.
За время, прошедшее после написания книги (она возникла из лекции 1973 года и вышла из печати первым изданием в 1977 году), приводимые в ней сведения не устарели. Нет необходимости что-либо менять в основном тексте. Однако по некоторым вопросам появились новые данные и новые точки зрения.
Наиболее принципиальным является, пожалуй, изменившееся отношение к вопросу о сохранении барионов. В книге Вайнберг объявляет закон сохранения барионного заряда одним из самых фундаментальных законов природы. В последнее время все чаще рассматривается возможность того, что барионы не сохраняются, что устойчивость протона не абсолютна. Подробно история вопроса и современное состояние рассмотрены в дополнении редактора 6.
Другие дополнения касаются новых наблюдательных данных и новых возможностей наблюдения, связанных, главным образом, с использованием микроволнового фонового радиоизлучения Вселенной. Здесь редактор существенно опирается на работы советского астрофизика Р.А. Сюняева и свои. Рассмотрено также влияние ненулевой массы покоя нейтрино на наши представления о строении и эволюции Вселенной. Вопрос этот возник в связи с работами советских и американских экспериментаторов. Одновременно изменилось и отношение физиков-теоретиков к гипотезе тяжелого нейтрино. Выводы из этой гипотезы, касающиеся космологии, оказываются фундаментальными.
В своих дополнениях редактор старался не выйти за рамки общего стиля книги, не оторваться от того читателя, неспециалиста, на которого книга рассчитана. Ни основной текст книги, ни дополнения к ней не могут и не должны заменить специальные руководства и книги для читателя, желающего специализироваться по астрофизике.
В заключение редактор хочет от души поблагодарить Стивена Вайнберга за активное сотрудничество в связи с русским переводом книги.
Пользуюсь случаем поблагодарить переводчика книги, кандидата физико-математических наук доцента А.В. Беркова, бережно сохранившего стиль оригинала.
Академик Я. Б. Зельдович
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.
Источник