Первородный детонатор
То, что Вселенная воистину громадна, стало ясно в 1920-е годы, когда Эдвин Хаббл доказал, что «спиральные туманности» на самом деле являются другими галактиками, подобными нашей, но удаленными от нас на расстояния от миллионов до миллиардов световых лет. Он также обнаружил, что их свет немного «покрасневший». Этот факт можно объяснить тем, что они удаляются от нас. Вселенная расширяется.
Это открытие привело к созданию теории Большого взрыва. Если сейчас в космосе все разлетается, то, предположительно, раньше все было «упаковано» гораздо более плотно. А это означает, что новорожденная Вселенная была плотной и горячей. Конкурирующая теория, теория стационарной Вселенной, утверждает, что новое вещество постоянно создается, чтобы заполнять пустоты, возникающие вследствие расширения. Но теория Большого взрыва одержала триумфальную победу в 1965 году, когда Арно Пензиас (род. 1933) и Роберт Вудро Вильсон (род. 1936) открыли космическое микроволновое фоновое излучение. Это реликтовое тепловое излучение, испущенное горячей материей ранней Вселенной через 380 000 лет после Большого взрыва.
Рост Вселенной можно смоделировать, используя теорию относительности: если предположить, что на наибольших масштабах Вселенная однородна, то трудности теории можно преодолеть с помощью достаточно простых уравнений в моделях Фридмана, описывающих расширение и эволюцию пространства.
Согласно этим моделям общая форма пространства-времени в масштабе всей Вселенной может быть искривлена либо вовнутрь, как поверхность сферы, либо изогнута в форме седла. Но наблюдения свидетельствуют, что Вселенная балансирует между двумя типами кривизны и является практически плоской. Это не запрещается в моделях Фридмана, но кажется странным – уж слишком «тонкая» работа требуется для такого баланса. Одно из объяснений может дать теория инфляции. Она утверждает, что в первые доли секунды пространство расширялось с ужасающей скоростью, способной выпрямить любую первоначальную кривизну. Сегодняшняя наблюдаемая Вселенная выросла из микроскопического участка первозданного огненного шара. Эта теория также может объяснить проблему горизонта – почему на одной стороне Вселенной наблюдается практически такая же плотность и температура, что и на другой.
Вмятины в пространстве-времени
Конечно, Вселенная не совсем плоская. Галактики создают небольшие локальные вмятины в пространстве-времени. В 1990 году спутник COBE обнаружил рябь в космическом микроволновом фоне, признак первоначальных флуктуаций плотности. Эта легкая рябь в молодой Вселенной могла быть сформирована случайными квантовыми флуктуациями в поле энергии, которое и запустило инфляцию. Гравитация усиливает первоначальные флуктуации, подталкивая друг к другу более плотные кусочки вещества, и они становятся звездами, галактиками и скоплениями галактик. Сегодня галактики рассеяны по всей Вселенной подобно пене, образуя узелки, струны и стенки, окружающие пузырчатые пустоты. Масштабы этих структур простираются примерно до миллиарда световых лет.
Видимая материя не обладает достаточной гравитацией для создания той структуры, которую мы видим: очевидно, ей должна помогать какая-то форма темной материи. Еще одно доказательство существования этой темной материи предоставляется галактиками, которые вращаются слишком быстро, чтобы удерживать свое вещество без дополнительного гравитационного «клея».
Темная материя не может состоять из протонов, нейтронов и электронов. Когда Вселенной не было еще трех минут от роду, протоны и нейтроны соединились и образовали дейтерий (тяжелый водород) и небольшие количества других легких элементов. Космологи посчитали, что если бы обычного вещества во Вселенной было гораздо больше, чем сейчас, тогда бы и в плотном вареве возникло гораздо больше дейтерия. Поэтому темная материя – это нечто экзотическое, что могло образоваться в самые первые горячие моменты Большого взрыва. Физики предлагали множество гипотетических частиц, которые могли бы входить в состав темной материи, включая так называемые слабо взаимодействующие массивные частицы и более легкие аксионы. Первоначальные черные дыры, вышедшие из горнила Большого взрыва, также могли включиться в образование темной материи.
В 1990-е годы астрономы столкнулись с еще одной загадкой. Они обнаружили, что далекие сверхновые на удивление слабы – а из этого следует, что расширение Вселенной не замедляется, как повсеместно предполагалось, а, наоборот, ускоряется. Во Вселенной как будто доминирует некая отталкивающая сила. Ее назвали темной энергией. Она может представлять собой либо космологическую постоянную (энергию вакуума), либо изменяющееся поле энергии – некую квинтэссенцию. Либо же гравитация может вести себя по-разному, становясь отталкивающей силой на больших расстояниях.
Космический микроволновый фон
Спутники WMAP и «Планк» дали твердое обоснование стандартной картине космологии путем точного измерения спектра флуктуаций космического микроволнового фона. Все данные указывают на то, что Вселенная существует 13,8 миллиарда лет, содержит примерно 5 % обычной материи, 26 % темной материи и 69 % темной энергии.
Остается много важных вопросов. Мы не знаем истинного размера Вселенной, не знаем даже, бесконечна она или нет. Не знакомы мы и с ее топологией, нам неизвестно, закручивается где-нибудь пространство или нет. Мы не знаем, что вызвало инфляцию и породила ли она множество параллельных вселенных далеко-далеко от нашей, как подразумевается во многих теориях.
Еще одна загадка: почему Вселенная предпочитает материю антиматерии? В ранние этапы Большого взрыва, когда создавались частицы, Вселенной пришлось сделать выбор в пользу одной из них. Иначе, если бы материя и антиматерия появились в одинаковых количествах, они бы уничтожили друг друга, и в мире, кроме излучения, ничего бы не осталось. Стандартная модель физики элементарных частиц не объясняет это предпочтение по отношению к материи.
Как все начиналось на самом деле (если начало и было) до сих пор неизвестно, потому что в релятивистских моделях Большой взрыв происходит в точке сингулярности, где уравнения не работают. Конец Вселенной также покрыт мраком неизвестности, поскольку он зависит от природы темной энергии и от того, как эта странная субстанция станет вести себя в будущем. Увеличение силы действия темной энергии уничтожит гравитационную связь между галактиками, а потом вызовет Большой разрыв, который уничтожит все вещество. Уменьшение этой силы спровоцирует коллапс Вселенной в Большом сжатии, что приведет к новому Большому взрыву. Чтобы понять сценарии начала и конца Вселенной, нам, вероятно, понадобится квантовая теория гравитации.
Большой взрыв начинается
Более 50 лет назад случайно была подтверждена история происхождения Вселенной. Канадский и американский космолог Джим Пиблс (род. 1935) вспоминает историю убеждения скептиков.
«Я присутствовал при рождении Большого взрыва, если так можно выразиться. В мае 1964 года Арно Пензиас и Роберт Вильсон провели свои первые измерения астрономического микроволнового излучения из остатка сверхновой Кассиопея А. Обосновавшись на территории Телефонных лабораторий Белла в Холмделе (штат Нью-Джерси), они использовали рупорную антенну, созданную для изучения микроволновых коммуникаций, которые впоследствии легли в основу сотовой телефонной технологии. Но Пензиас и Вильсон столкнулись с проблемой, которая до этого уже беспокоила инженеров фирмы Белла. Со стороны неба “долетало” больше микроволн, чем ожидалось.
Я тогда был молодым, подающим надежды теоретиком в Принстонском университете и работал в научно-исследовательской группе Боба Дикке. Боб был ярым сторонником идеи происхождения Вселенной из горячего плотного состояния, и он исследовал предположение, что от него должно было остаться море излучения, рассеянного по всему небу. Боб поручил двум своим сотрудникам, Питеру Роллу и Дэвиду Вилкинсону, сконструировать приемник для обнаружения этого излучения и предложил мне изучить теоретические последствия его наличия или отсутствия.
В феврале я представил нашу идею на коллоквиуме, а через несколько недель Бобу позвонил Пензиас. Когда Боб, Питер и Дэвид прибыли в Холмдел, они обнаружили, что группа Пензиаса вырвалась вперед. Я не помню, чтобы Боб или еще кто-либо из нас об этом пожалел. Наоборот, все радовались тому, что можно хоть что-нибудь измерять и анализировать.
Море шума, которое так беспокоило Пензиаса и Вильсона, было космическим микроволновым фоном (КМФ), который ныне является решающим аргументом в пользу Большого взрыва. Но тогда это было еще не совсем понятно, как это следует из публикаций журнала New Scientist. В 1976 году Мартин Рис, недавно получивший звание почетного профессора астрономии кафедры Плюма в Кембриджском университете, писал, что не существует "никакой другой правдоподобной теории" для объяснения наблюдаемых характеристик КМФ (2 декабря 1976 года, стр. 512). Хотя еще спустя пять лет предшественник Риса по кафедре Плюма, Фред Хойл, по-прежнему допускал справедливость альтернативной теории стационарной Вселенной. Он писал, что последние измерения КМФ “так разнятся с тем, что предсказывает теория, что способны похоронить космологические теории Большого взрыва” (19 ноября 1981 года, стр. 521). Теория стационарной Вселенной, в создании которой принимал участие Хойл в 1948 году, предполагает, что материя постоянно создается в расширяющейся Вселенной, при этом вновь образующиеся галактики заполняют пространство, которое открывается по мере того, как уходят вдаль уже существующие галактики. В этой картине прошлое Вселенной было ничуть не горячее и не плотнее, чем ее настоящее.
Верным доказательством происхождения нашей Вселенной из горячего и плотного состояния было бы открытие излучения с характерным спектром, в котором интенсивности на разных длинах волн распределяются в соответствии с формулой Планка для теплового излучения. Эксперимент Ролла и Вилкинсона вскоре добавил еще одну точку, а затем Вилкинсон получил много дополнительных данных, что закрепило его ведущую роль в проекте COBE. В начале 1990-х годов наблюдения спутника COBE убедительно показали, что спектр КМФ близок к планковскому спектру с температурой примерно 2,73 Кельвина. К этому времени уже мало кто сомневался, кроме Хойла и его ближайших сотрудников, что Вселенная произошла из Большого взрыва.
По наблюдениям обсерватории COBE и последующих миссий – спутника WMAP Американского Космического Агентства НАСА, зонда «Планк» Европейского Космического Агентства и множества других – удалось построить карту распределения КМФ на небе и показать, что это распределение не вполне однородно. Эти измерения предоставляют нам информацию об истории расширения Вселенной и о природе вещества, из которого она состоит. Теперь у нас достигнуто полное согласие между измерениями и космологической теорией, по крайней той, которая включает в себя две гипотетические составляющие: невидимую холодную темную материю, удерживающую вещество в галактиках от разбегания, и космологическую постоянную, необходимую для объяснения ускоренного расширения Вселенной, которое следует из наблюдений далеких сверхновых.
Сегодня все более детальные исследования КМФ могут вернуть нас во Вселенную, где еще не действовала общая теория относительности (см. “Первая доля секунды” ниже в этой главе). Но критический поворотный пункт был пройден 50 лет назад, когда раздражающий свист в прославленной телекоммуникационной антенне рассказал нам историю о том, как началась Вселенная».
