Джон Малоун - Нераскрытые тайны природы. Расширяющий кругозор экскурс в историю Вселенной с загадочными Большими Взрывами, частицами-волнами и запутанными явлениями, не нашедшими пока своего объяснения
Как возникла Вселенная?
Фред Хойл, который в шутку предложил термин «Большой Взрыв», всегда был одним из основных противников этой теории. В 1948 г. вместе с Германом Бонди и Томасом Голдом он выдвинул, как он сам ее назвал, теорию «стационарного состояния». Согласно этой теории, возраст Вселенной значительно больше, чем указывают астрономические наблюдения, так как она всегда существовала и будет существовать вечно. На протяжении неисчислимого времени галактики рождались, развивались и погибали, а на месте старых из их обломков постоянно возникали новые. Новые звездные системы не обязательно формируются на месте старых, но общая масса вещества во Вселенной сохраняется неизменной. Согласно этой концепции, даже самые старые галактики, которые нам удается наблюдать, в рамках общей картины оказываются весьма молодыми. Многие космологи отвергали теорию стационарной Вселенной, поскольку из нее вытекало, что мы никогда не сможем добраться до первопричины, тогда как большинство физиков и астрономов верили в это. Хойл бывал резок в своих замечаниях, и его коллеги нередко называли его самонадеянным. Но это нисколько не облегчало положения дел. Как и его талант популяризатора, снискавший ему большой успех у широкой публики. С другой стороны, можно задаться вопросом, не является ли вера в то, что мы в состоянии постичь первооснову вещей, верхом самонадеянности. Но, наверное, уже хватит рассуждать об этих спорах.
В теории Хойла существовали свои проблемы. Начать с того, что в ней использовалась видоизмененная форма космологической постоянной — математического коэффициента, который Эйнштейн намеренно ввел в свою общую теорию относительности с целью описания стационарной Вселенной. В 1929 г. Эдвин Хаббл, используя результаты своих исследований смещения спектров излучения удаленных галактик к красной границе спектра (так называемое «красное смещение»), пришел к выводу, что Вселенная расширяется и галактики с огромными скоростями удаляются друг от друга. Эйнштейновская космологическая постоянная оказалась ненужной. Даже Эйнштейн назвал ее самой большой из своих ошибок.
Неприязненное отношение большинства физиков к космологической постоянной в сочетании с открытием в 1965 г. реликтового излучения свело фактически на нет теорию стационарной Вселенной Хойла. Однако сам он вовсе не собирался складывать оружие. Хотя у его теории оставались проблемы, он продолжал настаивать на том, что с Большим Взрывом связано еще больше проблем. Действительно, теория Большого Взрыва все время сталкивалась с новыми трудностями. Так, с развитием космологии стало ясно, что на ранних стадиях развитие Вселенной не соответствовало известным физическим законам. По крайней мере, в течение первых 500 000 лет после Большого Взрыва, пока не произошло достаточного охлаждения для образования вещества и Вселенная не стала прозрачной для света, законы нашей современной Вселенной не действовали. Это заставило ученых ввести в теорию Большого Взрыва представление о том, что начальным состоянием Вселенной было особое событие — сингулярность. Хойл и его последователи (которые у него остались) высмеяли эту идею. Конечно, — издевались они, — вы сталкиваетесь с провалом вашего Большого Взрыва, но, вместо того чтобы усомниться в теории, вы придумываете нечто исключительное, противоречащее всему, что мы знаем!
В 1990 г. Хойл начал развивать новые идеи, после того как один из его сторонников — американский космолог Хелтон Арп, работающий в Институте им. Макса Планка (Германия), отметил, что имеется ряд наблюдений красного смещения, которые не согласуются с расстоянием от Земли. Это было серьезной неприятностью. Если величина красного смещения вовсе не является надежным мерилом скорости расширения Вселенной, это наносит теории Большого Взрыва удар в самое сердце. Быть может, галактики разлетались не столь быстро, и вовсе нет необходимости в Большом Взрыве, чтобы заставить их двигаться. Арп пошел дальше, заявив в 1991 г., что их противники «проигрывают, игнорируя результаты наблюдений этих важных объектов в телескоп и отчаянно пытаясь избежать обсуждений». Игнорируют факты? Сдерживают дебаты? Теоретики Большого Взрыва реагировали с возмущением. Между тем, как заметил в 1992 г. в своей книге «Хозяева времени» Джон Бослоу [2], некоторые другие физики обвиняли сторонников Большого Взрыва в том, что они либо игнорируют доказательства, либо предлагают гипотезы, которые невозможно проверить. Действительно, еще в 1986 г. Шелдон Глэшоу, получивший в 1979 г. Нобелевскую премию по физике, присоединился к предостережению своего коллеги по Гарварду Полу Джинспаргу: по их словам, физика, как правило, стала заниматься столь отвлеченными вопросами, что, возможно, ее в конце концов «будут преподавать на факультетах богословия те, кто в будущем заменит средневековых теологов».
Наиболее важной из неподдающихся проверке новых гипотез Большого Взрыва была идея раздувания, или инфляции. Согласно этой идее, выдвинутой в 1981 г. Аланом Гутом, на самой начальной стадии, продолжавшейся, по его выражению, ничтожную долю секунды, Вселенная расширялась со скоростью, превышающей современную в огромное число раз, и за бесконечно малый отрезок времени увеличила свои размеры от булавочной головки до апельсина или бейсбольного мяча. Может быть, это не кажется особенно значительным, но в математическом смысле ошеломляет: возрастание объема составило 1050, т. е. 1 с 50-ю нулями. Вслед за моментом раздувания Вселенная перешла в режим расширения с (относительно) небольшой скоростью, которая с тех пор и преобладает. Иными словами, в самое первое мгновение Вселенная вела себя подобно Супермену, а затем угомонилась и на протяжении остальной космической истории уже двигалась неторопливо.
Для широкого читателя это может показаться странным, однако концепция раздувания развеяла тучи, нависшие над теорией Большого Взрыва, и получила широкое одобрение. Среди решенных таким образом проблем была малая кривизна — уплощенность — Вселенной. Термин «уплощенность» в общем смысле несколько неудачен для описания физических процессов, которые подразумеваются в теории, однако он имеет глубокий математический смысл. По определению физиков, Вселенная должна быть либо открытой, и тогда она будет вечно расширяться, следуя поверхности с бесконечным радиусом кривизны, либо замкнутой, т. е. под действием гравитационных сил в конечном итоге расширение сменится сжатием, и Вселенная вернется в первоначальное состояние, — по-видимому, типа изначального атома, испытавшего Большой Взрыв. Но, к сожалению, наблюдения не позволили получить данных о том, является ли Вселенная открытой или замкнутой. Она кажется идеально сбалансированной между этими возможностями, и такое состояние описывается как уплощенность, поскольку кривизна пространства в среднем равна нулю («плоская» кривая).
Положение осложняется еще и тем, что отношение действительной плотности Вселенной (количества вещества, создающего гравитационное притяжение) к плотности, необходимой для того, чтобы она коллапсировала, равно единице. Это отношение обозначают греческой буквой «омега». Математически, открытой Вселенной будет соответствовать отношение меньше, чем омега, а замкнутой Вселенной — отношение, превышающее омегу. Таким образом, говорить о равной нулю кривизне или равном единице отношении плотностей означает говорить о плоской Вселенной. Впервые этот результат возник как следствие гипотезы раздувания Алана Гута. Неважно, что раздувание Вселенной часто сравнивают с превращением булавочной головки в апельсин, который, несомненно, круглый. Дело в том, что чем больше раздувается воздушный шарик, тем сильнее уплощается его поверхность, и за крошечный промежуток времени, в течение которого происходит раздувание, оно сопровождается уплощением. Как мы знаем от лауреатов Нобелевской премии, математика работает. (Тот, кто сомневается в математике, может просто представить себе Вселенную в виде апельсина, через который переехал грузовик.)
Интересно, что один из аргументов противников раздувания состоит в том, что его приверженцы допускают аналогичное и в космических масштабах. Когда Алан Гут работал над своей гипотезой, он столкнулся с проблемой, заставившей его отложить ее публикацию на два года. Из теории следовало, что при таком быстром расширении должен был возникнуть ряд отдельных «пузырей». Стенки этих пузырей должны быть все еще заметны, однако этого нет. В конце концов Гут все-таки решился на публикацию, надеясь, что заинтересует этой проблемой других космологов и они попытаются решить ее. Так и случилось. Первым нашел решение российский физик Андрей Линде; к этому же впоследствии пришли и другие ученые. Он сумел показать математически, что пузыри, названные «доменами», должны развиваться независимо друг от друга. Более того, известная нам часть Вселенной составляет всего-навсего миллиардную или триллионную долю одного из этих доменов, а стенки такого пузыря удалены настолько, что могут навсегда остаться за пределами наших наблюдений. Благодаря этим расчетам удалось вывести назойливого слона из жилой комнаты с глаз долой и привязать где-то за сараем, но по той же причине Шелдон Глэшоу заговорил о средневековой теологии.
