Первоначально космологические исследования касались двух главных вопросов: будущего Вселенной и ее прошлого.

Вопрос о будущем казался более простым. Для ответа на вопрос о том, будет ли Вселенная расширяться вечно, в теории Фридмана достаточно определить только одну величину. Эта величина — средняя плотность массы во Вселенной. Речь идет о полной массе, включающей все виды вещества и все типы полей, ведь энергия в соответствии с теорией относительности связана с массой, обладает вполне определенной массой. Масса, присущая энергии, или энергия, скрытая в массе, могут быть легко пересчитаны одна в другую — они связаны между собой постоянным множителем. Энергия, заключенная в данной порции вещества, получается умножением соответствующей величины массы на квадрат скорости света. При этом, конечно, все три величины — энергия, масса и скорость света — должны быть измерены при помощи одной системы единиц измерения. Например, при помощи международной системы измерения СИ.

Решение Фридмана таково, что если средняя плотность массы Вселенной меньше некоторого критического значения, то Вселенная будет расширяться вечно и скорость ее расширения никогда не обратится в нуль. Если средняя плотность массы Вселенной больше этого значения, то гравитационные силы, силы взаимного притяжения, постепенно за большое, но конечное время замедлят скорость расширения Вселенной до нуля, затем начнется ее сжатие. Уравнения говорили, что сжатие будет продолжаться до тех пор, пока вся масса Вселенной вновь не соберется в бесконечно малом объеме. После этого, вероятно, снова начнется фридмановское расширение. Затем силы тяготения вновь остановят процесс расширения и опять заставят Вселенную сжиматься. Будет ли это продолжаться вечно, не известно и поныне.

Существует предположение, основанное на Втором начале термодинамики, что размахи расширения постепенно затухают, а длительность каждого цикла «расширение — сжатие» возрастает. В каком состоянии и почему прекратится этот процесс и прекратится ли он, еще не известно, как не известно, справедлива ли гипотеза пульсирующей Вселенной. Если же средняя плотность массы Вселенной окажется точно равной своему критическому значению, то Вселенная окажется безграничной, расширяющейся бесконечно долго, но скорость ее расширения постепенно приблизится к нулю. Однако ученые знают, что во всех других случаях, а вероятно, и в этом пограничное решение оказывается неустойчивым и не реализуется в течение сколь-нибудь длительного времени. Случайные, флуктуационные процессы всегда выводят реальные системы и реальные процессы из таких пограничных неустойчивых состояний.

Таким образом, вопрос о будущем Вселенной превратился в конкретную задачу физиков, астрофизиков и астрономов-наблюдателей. Они стремятся определить, какова действительная величина средней плотности массы Вселенной. Задача необычайной трудности. Причем по мере преодоления одних трудностей сразу возникают новые. Ведь для определения средней массы Вселенной необходимо оценить величину массы, содержащуюся в очень большом объеме, и разделить полученную величину на соответствующий объем.

Для того чтобы результат оказался сколь-нибудь надежным, необходимо взять этот объем таким большим чтобы величина массы, заключенной во всех газовых туманностях, во всех звездных скоплениях — галактиках, во всех одиночных звездах и во всех других космических объектах, оказалась равной массе, заключенной в любом другом объеме Вселенной, имеющем ту же величину.

Трудности оценки масс видимых частей туманностей, звездных скоплений и звезд очень велики, но они несравнимо меньше оценки скрытой массы. Вопрос о скрытой массе возник, когда астрофизики попытались на основе астрономических наблюдений оценить массу отдельных галактик и скоплений галактик. Если мысленно разбить объем этих скоплений на одинаковые части, то окажется, что количество галактик в таком объеме, находящемся вблизи центра скопления, максимально и оно плавно уменьшается при переходе к все более удаленным от центра объемам. Измерив относительные скорости галактик, вращающихся вокруг центра скопления, и их размеры, астрофизики могут вычислить силы тяготения, удерживающие галактики на их орбитах, а значит, и полную массу скопления галактик.

Уже первые вычисления и наблюдения показали, что суммарная масса всех звезд в каждой галактике в 10–30 раз меньше той, что дают вычисления по способу, указанному выше. После открытия скоплений скоплений галактик — сверхскоплений — история повторилась. Аналогичные вычисления приводили к значениям массы в сверхскоплениях, в 20 раз превосходящую суммарную массу видимых объектов, входящих в галактики. Так в астрофизике возникло понятие скрытой массы. В понятие скрытой, а точнее, труднонаблюдаемой массы астрономы объединяют массу холодной межзвездной пыли и пылевых облаков, проявляющих свое присутствие только тем, что они поглощают свет звезд и других источников, расположенных за ними. В скрытую массу входит и межзвездный газ, различные виды излучений, невидимые холодные останки звезд, планеты и т. п. Но оценки суммарной массы всех этих типов давали величины, много меньшие, чем следует из расчетов, проведенных на основе наблюдений. Кроме того, остается неясной величина скрытой массы, рассредоточенной в огромных объемах пространства, разделяющего между собой сверхскопления галактик. Неизвестен и вклад черных дыр, таинственных объектов, о которых будет сказано ниже.

В последнее время увеличилась вероятность того, что нейтрино обладают массой покоя. Хотя величина массы каждой из этих частиц, по оценкам, очень мала, их так много, что они могут существенно сдвинуть величину средней плотности масс в сторону ее увеличения. Роль нейтрино в образовании скрытой массы мы более подробно обсудим позже.

Все более точные измерения, все более тонкие теоретические оценки приводят к тому, что результирующее значение средней плотности массы во Вселенной очень близко к критическому значению. Причем пределы, в которых заключено истинное значение средней плотности массы Вселенной, все более сжимаются к критическому значению. Вопрос все еще остается открытым. Работа продолжается. Ясно лишь одно: только достоверная оценка массы покоя нейтрино, подтверждение того, что она отлична от нуля, и точное измерение ее величины могут существенно изменить результат, вывести его за границы современных оценок, вывести в сторону увеличения. То есть привести к реализации варианта пульсирующей Вселенной, что со всей остротой поставит вопрос о том, сколь долго будут продолжаться эти пульсации и чем они закончатся.

Вопрос о начале, о возникновении Вселенной оказался еще более трудным, еще более принципиальным. Он тревожил философов, пожалуй, больше, чем физиков. Ведь возникал вопрос о том, как и из чего появилась Вселенная, и вопрос о том, что было до ее появления. Некоторые философы считали незаконной даже саму постановку этих вопросов. Другие с радостью увидели здесь научный вариант библейского мифа о сотворении мира.

Физиков беспокоило иное. Нужно было понять, как огромная масса Вселенной могла сосредоточиться в бесконечно малом объеме, с которого она начала расширение в соответствии с решением Фридмана. Единственный разумный выход виделся в том, что решения Фридмана вместе с уравнениями Эйнштейна теряют силу, когда плотность массы превышает некоторый очень большой предел. Внутри этого предела действуют другие, еще не известные уравнения, описывающие эти закономерности. На это указывал сам Эйнштейн. Возможно, здесь проявляются квантовые закономерности, о которых он писал в связи с излучением гравитационных волн, новые, еще не известные правила игры, игры Природы.

Предел, за которым теряют силу Общая теория относительности и современная квантовая физика, возможно, совпадает с удивительными границами, установленными Планком задолго до появления этих теорий.

К мысли о существовании подобных границ Планк пришел после того, как логика науки привела его к замечательному открытию — непонятной постоянной величине, позднее названной его именем.

К этой постоянной Планк пришел после длительных настойчивых попыток описать свойства излучения «абсолютно черного тела»— тела, способного полностью поглощать электромагнитные волны любой длины, совершенно не отражая их.

Моделью «абсолютно черного тела» может служить отверстие в полом сосуде с темной шероховатой внутренней поверхностью. Любая электромагнитная волна, вошедшая внутрь через это отверстие, будет полностью поглощена, а ее энергия нагреет стенки полости. Со своей стороны, нагретые стенки полости излучают электромагнитные волны, которые частично выходят наружу сквозь отверстие в стенке полости.

Планк знал, что все попытки описать это излучение, исходя из уравнений Максвелла и молекулярно-кинетической теории, приводили к противоречию с результатами опытов.

Размышляя об этой загадке, Планк вспомнил, что великий физик-теоретик Больцман как-то сказал ему, что эту проблему невозможно решить, не предположив, что здесь играет роль какая-то дискретность. Больцман не уточнил, что он имел в виду. Убедившись в бесплодности всех попыток, основанных на общепризнанных взглядах, Планк написал странную формулу, в которой процесс передачи энергии между электромагнитным полем и веществом происходил порциями — квантами.

Так в науку вошли порции энергии — кванты — и описывающая эти порции величина — знаменитая постоянная Планка, или «квант действия».

Формула, найденная интуитивно, решила задачу. Она правильно описывала свойства излучения «абсолютно черного тела»— от самых длинных до сколь угодно коротких волн.

Физики давно привыкли к тому, что большинство физических величин тесно связано с тремя величинами — длиной, интервалом времени и массой. Выбрав произвольно единицы измерения этих величин, например сантиметр длины, секунду времени и грамм массы, можно выразить через них единицы большинства остальных величин.

Планк заметил, что введенная им постоянная, которую теперь называют постоянной Планка, имеет в физике гораздо более широкое значение, чем он думал, вводя ее для устранения ультрафиолетовой катастрофы*.

Планк обнаружил, что его постоянная играет в науке не меньшую роль, чем постоянная тяготения в законе Ньютона и скорость света. Комбинируя эти три постоянные, можно образовать новые единицы любой размерности, например новые единицы длины, времени и массы. Эти новые единицы, если их измерить сантиметрами, секундами и граммами, оказываются очень малыми: планковская единица длины равна 1,6-10— 33 см, планковская единица времени равна 5,3 10–44, планковская единица массы равна 2,2-10— 5 г. Планк правильно воспринял этот намек. Новые единицы неудобны в обычных измерениях, но, возможно, они окажутся естественным масштабом процессов в микромире.

Для дальнейшего имеет большое значение еще одна планковская единица, единица плотности. Плотностью, как известно, называется отношение массы к объему. Взяв соответствующие цифры, написанные выше, легко убедиться в том, что планковская единица плотности, переведенная в отношение граммов к кубическим сантиметрам, потрясающе велика. Она равна 5 1093 г/см3. Эта плотность намного превышает плотность вещества внутри ядер атомов или плотность внутри нейтронных звезд. Эта плотность играет, однако, важную роль в попытках выяснения физических процессов, протекающих в начале фридмановского расширения Вселенной, когда все вещество и вся энергия были спрессованы в ничтожно малом объеме.

Только спустя половину века стало ясно, что планковские единицы действительно указывают пределы применимости известных нам законов природы. Теория, способная работать внутри этих малых границ, не создана до сих пор. Однако вскоре после окончания второй мировой войны ученые начали шаг за шагом приближаться к этим рубежам.