Глава 3: Свет от начала времен

Если вы размышляете, пытаясь определить общую кривизну Вселенной, измеряя содержащуюся в ней общую массу, а затем используя уравнения общей теории относительности, отматывание пленки назад имеет огромные потенциальные проблемы. Вы неизбежно должны задаться вопросом, скрыта ли материя так, что мы не можем ее обнаружить. Например, мы можем исследовать наличие материи в этих системах, используя гравитационную динамику видимых систем, таких как галактики и скопления. Если значительная масса каким-то образом находится в другом месте, мы ее пропустим. Было бы гораздо лучше непосредственно измерить геометрию всей видимой Вселенной.

Но как можно измерить трехмерную геометрию всей видимой Вселенной? Легче начать с более простого вопроса: как бы вы определили, что двумерный объект, такой как поверхность Земли, был изогнут, если бы не могли обойти вокруг Земли и не могли подняться над ней в спутнике и посмотреть вниз?

Во-первых, вы могли бы спросить ученика средней школы, какова сумма углов в треугольнике? (Только выбирайте среднюю школу тщательно… Европейская школа подойдет.) Вам бы сказали, что 180 градусов, потому что ученик, без сомнения, изучал евклидову геометрию — геометрию, ограниченную плоским листом бумаги. На изогнутой двумерной поверхности, такой как глобус, вы можете нарисовать треугольник, сумма углов которого намного больше, чем 180 градусов. Рассмотрим, например, линию, нарисованную вдоль экватора, затем идущую под прямым углом, доходящую до Северного полюса, а затем идущую еще под прямым углом на юг к экватору, как показано ниже. Три раза по 90 дает 270, намного больше, чем 180 градусов. Вуаля!

Оказывается, это просто, двумерное мышление распространяется прямо и одинаково на три измерения, потому что математики, которые впервые предложили неплоскую, или так называемую неевклидову, геометрию поняли, что одни и те же возможности могут существовать в трех измерениях. Кстати, самый известный математик девятнадцатого века, Карл Фридрих Гаусс, был так очарован возможностью, что наша Вселенная может быть изогнута, что взял данные карт геодезической съемки за 1820-е и 30-е годы, чтобы измерить большие треугольники между немецкими горными вершинами Hoher Hagen, Inselberg и Bracken, и определить, может ли он обнаружить какую-либо кривизну самого пространства. Конечно, тот факт, что эти горы находятся на изогнутой поверхности Земли, означает, что двумерная кривизна поверхности Земли мешала бы любым измерениям, которые он выполнял, чтобы исследовать кривизну в фоновом трехмерном пространстве, в котором находится Земля, что он должен был знать. Я предполагаю, что он планировал вычесть все такие вклады из своих конечных результатов, чтобы увидеть, мог ли быть связан какой-либо возможный остаток кривизны с искривлением фонового пространства.

Первым человеком, попытавшимся окончательно измерить кривизну пространства, был никому не известный математик Николай Иванович Лобачевский, живший в далекой Казани в России. В отличие от Гаусса, Лобачевский был фактически одним из двух математиков, имевших смелость предположить в печати возможность так называемых гиперболических криволинейных геометрий, где параллельные линии могут расходиться. Примечательно, что Лобачевский опубликовал свою работу по гиперболической геометрии (которую мы теперь называем «отрицательно искривленными» или «открытыми» вселенными) в 1830 году.

Вскоре после этого, рассматривая, может ли наша собственная трехмерная вселенная быть гиперболической, Лобачевский предположил, что есть возможность «исследовать звездный треугольник для экспериментального решения этого вопроса». Он предположил, что можно воспользоваться наблюдениями за яркой звездой Сириус, когда Земля была по разные стороны своей орбиты вокруг Солнца, с интервалом в шесть месяцев. Исходя из наблюдений, он пришел к выводу, что кривизна нашей Вселенной должна быть, по крайней мере, в 166 000 раз больше радиуса орбиты Земли.

Это большое число, но это тривиально мало по космическим масштабам. К сожалению, тогда как у Лобачевского была правильная идея, он был ограничен технологиями своего времени. Однако сто пятьдесят лет спустя ситуация улучшилась благодаря наиболее важному из всех наблюдений в космологии: измерению космического микроволнового фонового излучения, или реликтового излучения.

Реликтовое излучение — это не что иное, как остаточное свечение Большого Взрыва. Оно дает еще ряд прямых доказательств, если требуются, что Большой Взрыв действительно имел место, потому что это позволяет нам непосредственно оглянуться назад и определить природу очень молодой, горячей Вселенной, из которой позже появились все структуры, которые мы видим сегодня.

Одна из многих замечательных вещей в космическом микроволновом фоновом излучении — это то, что оно было обнаружено в Нью-Джерси, кто бы мог подумать, двумя учеными, которые действительно не имели ни малейшего представления о том, что они искали. Другое дело, что оно существовало практически у всех перед носом в течение многих десятилетий, потенциально наблюдаемое, но совершенно не замечаемое. На самом деле, возможно, вы достаточно старый, что наблюдали его эффекты, не осознавая этого, если вы помните дни до кабельного телевидения, когда каналы использовали, заканчивая вещание в предрассветные утренние часы, а не запускали на всю ночь рекламные ролики. Когда эфир заканчивался, после показа телевизионной таблицы, на экран возвращались помехи. Около 1 процента этих помех, которые вы видели на экране телевизора, было излучением, оставшимся от Большого Взрыва.

Происхождение космического микроволнового фонового излучения относительно ясно. Поскольку Вселенная имеет конечный возраст (напомним, это 13 720 000 000 лет), и поскольку мы высматриваем все более удаленные объекты, мы смотрим все дальше назад во времени (так как свету требуется больше времени, чтобы добраться до нас от этих объектов), и можно представить, что если бы мы взглянули достаточно далеко, мы бы увидели сам Большой Взрыв. В принципе, это не невозможно, но на практике между нами и теми давними временами лежит стена. Не физическая стена, как стены помещения, в котором я это пишу, но стена, которая, в значительной мере, оказывает такое же воздействие.

Я не могу видеть через стены в моей комнате, потому что они непрозрачны. Они поглощают свет. Итак, когда я смотрю в небо все дальше и дальше назад во времени, я смотрю на Вселенную, когда она была все моложе и моложе, а также все горячее и горячее, потому что она охладилась со времен Большого Взрыва. Если я посмотрю назад достаточно далеко, в то время, когда Вселенной было примерно 300 000 лет, температура Вселенной была примерно на 3 000 градусов (по шкале Кельвина) выше абсолютного нуля. При этой температуре окружающее излучение обладало настолько большой энергией, что могло разбивать атомы, преобладающие во Вселенной, атомы водорода, на отдельные составляющие, протоны и электроны. До этого времени нейтральной материи не существовало. Обычная материя Вселенной, сделанная из атомных ядер и электронов, состояла из плотной «плазмы» заряженных частиц, взаимодействующих с излучением.

Плазма, однако, могла быть непрозрачной для излучения. Заряженные частицы в плазме поглощали фотоны и переизлучали их, так что излучение не могло легко проходить через такое вещество беспрепятственно. В результате, если я попытаюсь посмотреть назад во времени, я не смогу увидеть дальше времени, когда материя во Вселенной состояла в основном из такой плазмы.

Еще раз, это как стены в моей комнате. Я вижу их только потому, что электроны в атомах на поверхности стены поглощают свет от освещения в моем кабинете, а затем переизлучают его, при этом воздух между мной и стеной прозрачен, так что я могу видеть на всем протяжении до поверхности стены, излучающей свет. Так же и со Вселенной. Я могу видеть весь путь назад до той «поверхности последнего рассеяния», которая была моментом, когда Вселенная стала нейтральной, и протоны объединились с электронами в нейтральные атомы водорода. После этого момента Вселенная стала в значительной степени прозрачной для излучения, и теперь я могу видеть излучение, которое поглощалось и переизлучалось электронами, когда материя во Вселенной стала нейтральной.

Поэтому картина Большого Взрыва Вселенной предсказывает, что должно быть излучение, идущее ко мне со всех направлений от той «поверхности последнего рассеяния». Поскольку Вселенная с тех пор расширилась примерно в 1000 раз, излучение на пути к нам остыло и теперь имеет температуру около 3 градусов выше абсолютного нуля. И это именно тот сигнал, который обнаружили два незадачливых ученых в Нью-Джерси в 1965 году, и за открытие которого позднее они были удостоены Нобелевской премии.

Вообще-то, совсем недавно была присуждена вторая Нобелевская премия за наблюдение космического микроволнового фонового излучения, и не зря. Если бы мы могли сфотографировать поверхность последнего рассеяния, мы получили бы картину новорожденной Вселенной в возрасте всего лишь 300 тысяч лет от ее возникновения. Мы смогли бы увидеть все структуры, которые в один прекрасный день сжались, сформировав галактики, звезды, планеты, пришельцев и все остальное. Самое главное, эти структуры не изменялись под действием всей последующей динамической эволюции, которая может затруднить понимание природы и происхождения первых крошечных первичных возмущений в материи и энергии, которые предположительно были созданы экзотическими процессами в самые первые моменты Большого Взрыва.

Однако самое главное для нашей задачи, что на этой поверхности был бы характерный масштаб, который был бы запечатлен там ничем иным как самим временем. Можно понимать это следующим образом: если оценивать расстояние, охватывающее примерно 1 градус на поверхности последнего рассеяния, видимое наблюдателем на Земле, оно будет соответствовать расстоянию примерно в 300 000 световых лет. Итак, поскольку поверхность последнего рассеяния отражает то время, когда самой Вселенной было примерно 300 000 лет, и поскольку Эйнштейн говорит нам, что никакая информация не может перемещаться в пространстве быстрее скорости света, это означает, что никакой сигнал с одного места не мог пройти по этой поверхности за это время более чем на 300 000 световых лет.

Теперь рассмотрим комок материи меньше, чем 300 000 световых лет. Такой комок начнет сжиматься за счет собственной гравитации. Но комок больше, чем 300 тысяч световых лет, даже не начинает сжиматься, потому что он еще даже не «знает», что является комком. Гравитация, которая сама распространяется со скоростью света, не может пройти через всю длину комка. Так же, как Хитрый Койот соскакивает с обрыва и висит, подвешенный в воздухе, в мультфильмах Road Runner, комок будет просто находиться там, ожидая, чтобы сжаться, когда Вселенная станет достаточно взрослой, чтобы знать, что он должен делать!

Это выделяет особый треугольник с одной стороной 300 000 световых лет на известном расстоянии от нас, определяемом расстоянием между нами и поверхностью последнего рассеяния, как показано ниже:

Самые крупные куски материи, которые уже начали сжиматься и при этом создают неровности на изображении микроволновой фоновой поверхности, будут охватывать эту угловую величину. Если мы можем получить изображение этой поверхности, какой она выглядела в то время, мы ожидаем, что такие горячие пятна должны быть, в среднем, самыми крупными кусками, которые мы видим на фото.

Тем не менее, то, будет ли угол, охватывающий это расстояние, равен ровно 1 градусу, будет фактически определяется геометрией Вселенной. В плоской Вселенной лучи света идут по прямой линии. В открытой Вселенной, однако, лучи света изгибаются наружу, если проследить их назад во времени. В замкнутой Вселенной лучи света сходятся, если проследить их назад. Таким образом, фактический угол, измеряемый на наших глазах линейкой длиной 300 000 световых лет, находящейся на расстоянии, связанном с поверхностью последнего рассеяния, зависит от геометрии Вселенной, как показано ниже:

Это служит прямым, чистым показателем геометрии Вселенной. Поскольку размер крупнейших горячих пятен или холодных мест в изображении микроволнового фонового излучения зависит только от причинности — факта, что гравитация может распространяться только со скоростью света, и поэтому крупнейшая область, которая может сжаться за это время, определяется просто наибольшим расстоянием, на которое за это время может распространиться луч света — и поскольку угол, который мы видим, перекрываемый определенной длины линейкой на определенном расстоянии от нас, обусловлен лишь кривизной Вселенной, простое изображение поверхности последнего рассеяния может открыть нам масштабную геометрию пространства-времени.

Первым экспериментом с попыткой таких наблюдений был эксперимент с запуском воздушного шара в Антарктиде в 1997 году под названием BOOMERANG. В то время как этот акроним расшифровывается как Balloon Observations of Mllimetric Extragalactic and Geophysics, реальная причина, почему его так называли, проще. Микроволновый радиометр был прикреплен к высотному аэростату, как показано ниже:

Затем воздушный шар облетел вокруг света, что легко сделать в Антарктике. На самом деле, на Южном полюсе это действительно легко сделать, так как вы можете просто развернуться по кругу. Тем не менее, от станции Мак-Мердо полет по кругу вокруг континента с помощью полярных ветров занял две недели, после чего устройство вернулось к исходной точке, отсюда и название BOOMERANG.

Цель полета воздушного шара была проста. Чтобы получить изображение микроволнового фонового излучения, отображающее температуру на 3 градуса выше абсолютного нуля (по шкале Кельвина), не загрязненное намного более горячей материей на Земле (даже в Антарктиде температура более чем на двести градусов жарче, чем температура космического микроволнового фонового излучения), нам нужно подняться как можно дальше от Земли, и даже выше большей части земной атмосферы. В идеале для этой цели мы используем спутники, но высотные воздушные шары могут сделать большую часть работы за гораздо меньшие деньги.

В любом случае, спустя две недели BOOMERANG вернулся с изображением небольшого участка неба в микроволновом диапазоне, показывающего горячие и холодные пятна в картине излучения, поступающего от поверхности последнего рассеяния. Ниже показано одно изображение области, наблюдавшейся в эксперименте BOOMERANG (с «горячими» и «холодными» пятнами, обозначенными темным и светлым соответственно), наложенное на исходную фотографию эксперимента.

Это изображение служит двум нашим целям. Во-первых, оно отображает реальный физический масштаб горячих и холодных пятен, увиденных в небе с помощью BOOMERANG, с основным изображением для сравнения. Но оно также иллюстрирует еще один важный аспект, который можно назвать только нашей космической близорукостью. Когда мы смотрим солнечным днем, мы видим голубое небо, как показано на предыдущем изображении с воздушного шара. Но это лишь потому, что мы эволюционировали, чтобы видеть видимый свет. Причина, без сомнения, в том, что свет от поверхности нашего Солнца достигает пика в видимой области, а также в том, что многие другие длины волн света поглощаются нашей атмосферой, поэтому они не могут достичь нас на поверхности Земли. (Это большая удача для нас, так как большая часть этого излучения может быть вредным.) В любом случае, если бы мы вместо этого эволюционировали, чтобы «видеть» микроволновое излучение, образ неба, который бы мы видели, днем или ночью, при условии, что мы не смотрели бы прямо на Солнце, повторял бы непосредственно изображение поверхности последнего рассеяния, находящееся более чем в 13 млрд. световых лет от Земли. Этот «образ» был получен детектором BOOMERANG.

Первый полет BOOMERANG, сделавший это фото, был удивительно удачным. Антарктика — недружелюбная, непредсказуемая среда. В более позднем полете, в 2003 году, весь эксперимент чуть не провалился из-за неисправности воздушного шара и последующей бури. Принятое в последний момент решение избавиться от шара, прежде чем его унесет в какое-то недоступное место, спасло ситуацию, и поисково-спасательная экспедиция обнаружила научный груз на антарктической равнине и восстановила герметичный сосуд, содержащий научные данные.

Прежде чем проанализировать изображение BOOMERANG, я еще раз хочу подчеркнуть, что реальный физический размер горячих и холодных пятен, зарегистрированных на фотографии BOOMERANG, определяется простой физикой, связанной с поверхностью последнего рассеяния, а измеренные размеры горячих и холодных пятен на изображении обусловлены геометрией Вселенной. Простая двумерная аналогия может помочь в дальнейшем объяснить результат: в двумерном виде закрытая геометрия напоминает поверхность сферы, тогда как открытая геометрия напоминает поверхность седла. Если мы нарисуем треугольник на этих поверхностях, мы наблюдаем эффект, который я описал, когда прямые линии сходятся на сфере и расходятся на седле, и, конечно же, остаются прямыми на плоской поверхности:

Итак, в настоящий момент вопрос на миллион долларов звучит так: насколько велики горячие и холодные пятна на фото, сделанном BOOMERANG? Чтобы на это ответить, сотрудники BOOMERANG подготовили на своем компьютере несколько смоделированных изображений горячих и холодных пятен, которые наблюдались бы в закрытых, плоских и открытых вселенных, и сравнили их с изображением (другого цвета) фактического микроволнового излучения неба.

Если вы посмотрите на изображение смоделированной замкнутой Вселенной в левом нижнем углу, вы увидите, что в среднем пятна крупнее, чем в реальной Вселенной. Справа средний размер пятен меньше. Но, как кровать медвежонка в «Златовласке», изображение посередине, соответствующее моделируемой плоской Вселенной, подходит «в самый раз». Математически красивая вселенная, которую страстно ожидали теоретики, казалось, подтверждалась этими наблюдениями, хотя это, похоже, сильно противоречило оценкам, сделанным путем взвешивания скоплений галактик.

На самом деле, совпадение между предсказаниями для плоской Вселенной и изображением, полученным с помощью BOOMERANG, почти приводит в замешательство. Рассматривая пятна и ища самые крупные, у которых было время значительно сжаться на момент отражения от поверхности последнего рассеяния, команда BOOMERANG создала следующий график:

Данные отмечены точками. Сплошная линия предсказывает плоскую Вселенную, с наибольшим пиком около 1 градуса!

После того, как были опубликованы результаты эксперимента BOOMERANG, НАСА запустило гораздо более чувствительный спутниковый зонд для изучения микроволнового фонового излучения, Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP). Названный в честь покойного физика из Принстона Дэвида Уилкинсона, который был одним из первых принстонских физиков, кто должен был обнаружить реликтовое излучение раньше ученых из Bell Labs, WMAP был запущен в июне 2001 года. Он был послан на расстояние в один миллион миль от Земли, где на противоположной от Солнца стороне Земли он мог наблюдать микроволновое излучение неба, не загрязненное солнечными лучами. В течение семи лет он создал изображение микроволнового излучения всего неба (а не только части неба, как это сделал BOOMERANG, поскольку BOOMERANGу мешало присутствие Земли под ним) с невиданной точностью.

Здесь все небо проецируется на плоскости, так же, как поверхность земного шара может быть спроецирована на плоской карте. Плоскость нашей галактики лежит вдоль экватора, и на 90 градусов выше плоскости нашей галактики на этой карте находится Северный полюс, а на 90 градусов ниже — Южный полюс. Изображение галактики, однако, было удалено с карты, чтобы отразить только излучение, идущее от поверхности последнего рассеяния.

Имея такие превосходные данные, можно гораздо более точно оценить геометрию Вселенной. WMAP построил график, аналогичный графику, показанному на фото BOOMERANG, подтверждающий с точностью до 1 процента, что мы живем в плоской Вселенной! Ожидания теоретиков были правильными. Хотя снова же, мы не можем игнорировать очевидную неувязку этого результата с результатом, который я описал в предыдущей главе. Взвешивание Вселенной с помощью измерения массы галактик и скоплений дает значение в 3 раза меньшее, чем масса, необходимая для плоской Вселенной. Должно быть какое-то решение.

В то время как теоретики, возможно, поздравляли друг друга за то, что догадались, что Вселенная плоская, почти никто не был готов к сюрпризу, который уготовила природа, в решении противоречивых оценок геометрии Вселенной, полученных с помощью сравнения измерений массы с прямыми измерениями кривизны. Недостающая энергия, необходимая для плоской Вселенной, оказалось, буквально скрывается у нас под носом.