Тони Ротман
Маленькая книга о Большом взрыве

Посвящается моим учителям и коллегам, которые научили меня большему, чем знали сами

Tony Rothman

A little book about the Big Bang

Published by arrangement with Harvard University Press via Alexander Korzhenevski Agency (Russia)

Научное редактирование Мильды Соколовой

© By the President and Fellows of Harvard College, 2022

© Перевод на русский язык, Узбеков А. А., 2024

© Издание на русском языке. ООО «Издательская Группа «Азбука-Аттикус», 2025

КоЛибри^®

* * *

Космология – наука о рождении, эволюции и возможном будущем нашей Вселенной, о формах материи и энергии, заполняющих космическое пространство и влияющих на его динамику. Космос бесконечно огромен, и в его пространственно-временных просторах существуют многочисленные физические явления, условия для реализации которых еще долгое время будут недостижимы в земных лабораториях. Поэтому, изучая космическое пространство, изучая Вселенную, мы не только удивляемся новым астрофизическим объектам и явлениям, но и открываем новые фундаментальные законы физики, подтверждением чего являются Нобелевские премии (только в начале этого века за работы по космологии уже присуждено три).

Космос сколь прекрасен, столь и загадочен и всегда вызывал интерес не только у ученых, но и у всех на свете, пытающихся осознать устройство нашего мира, поэтому рассказы о космосе, об эволюции Вселенной занимают одно из ключевых мест в научно-популярной литературе. Вот и «Маленькая книга о Большом взрыве» – еще одна попытка простым языком объяснить сложные вещи современной космологической картины мира. По мере продвижения к Большому взрыву Тони Ротман доходит до инфляционных теорий, описывающих самые ранние моменты рождения Вселенной. При этом приближение к точке сингулярности Большого взрыва требует создания теории квантовой гравитации, объединяющей общую теорию относительности с квантовой механикой. На этом пути возникают и такие новые концепции, как мультивселенная и множественность миров. Все это демонстрирует не только то, как сильно за последнее столетие мы продвинулись в понимании и описании Вселенной, но и то, что по мере более детального изучения космоса перед нами открываются его новые загадки и его новая глубина.

Александр Владимирович Иванчик,

зав. сектором теоретической астрофизики ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН, зав. кафедрой физики космоса Академического университета им. Ж. И. Алфёрова,

д.ф.-м.н., чл.—корр. РАН

Введение
Почему существует что-то, а не ничто?

Эта маленькая книга посвящена величайшему из возможных явлений – Большому взрыву. И речь не о популярном сериале – речь о космологии. По утверждению космологов, эта наука занимается изучением структуры и эволюции Вселенной в целом, хотя в последние сто лет о ней все чаще говорят как о дисциплине, изучающей именно ранние периоды развития Вселенной. В таком виде она подразумевает исследование происхождения галактик, анализ легчайших химических элементов, наблюдение за тепловым излучением, пронизывающим весь космос, а также изучение необычных явлений, которые мы не способны наблюдать невооруженным глазом: темной материи и темной энергии. Итак, космология – это наука о возникновении и развитии Вселенной начиная с первых лет и даже долей секунд; история формирования первых элементарных частиц. Космология – теория Большого взрыва.

Космологию любят сравнивать с точкой, в которой физика сходится с философией. В определенной степени это утверждение верно – и в некотором смысле неизбежно. Если задуматься, любая наука представляет собой постановку вопросов и дальнейший поиск ответов. Если в поиске ответов нам удается зайти достаточно далеко, вопросы исчезают сами собой. Это особенно актуально для космологии: как только речь заходит о теории Большого взрыва, первое, что хочет спросить человек, далекий от этой науки (то есть большинство людей): что же предшествовало Большому взрыву? Это вполне естественный и справедливый вопрос, но ответа на него нет и, скорее всего, так и не появится при жизни автора. Как бы то ни было, моя задача – изложить вопросы, возникающие как у специалистов, так и у людей, не знакомых с этой наукой, и постараться ответить на них со всей доступной для меня простотой. Поскольку эта книга предназначена прежде всего для тех, кто интересуется наукой, но не имеет научного образования и достаточных познаний в математике, мои коллеги могут упрекнуть ее в отсутствии строгости и полноты. Тем не менее моя цель не охватить данную область знаний во всех мельчайших деталях, а скорее прояснить лишь некоторую ее часть.

Поэтому я постарался свести специальную терминологию к минимуму, и хотя обилие цифр, приведенных в книге, удовлетворит любого читателя, все уравнения в ней не сложнее обыкновенных линейных, прочие же вычисления можно найти в сносках. Книга предполагает способность читателя понимать элементарные графики, а также его желание следовать за логикой более подробной аргументации. С другой стороны, я вынужден согласиться с одним из бесчисленных афоризмов, приписываемых, но никогда в реальности не принадлежавших Эйнштейну: «Нужно смотреть на вещи по возможности просто, но не слишком просто»^[1]. С годами я убедился, что все можно упростить лишь до определенного уровня, и для космологии, в силу ее глубоко математической природы, это наблюдение тоже, как правило, справедливо. Поэтому я не буду пытаться объяснять математику через доступные физические понятия, если это не представляется мне возможным.

Несмотря на отсутствие в этой книге чего бы то ни было, напоминающего реальную математику, я постараюсь убедить вас в том, что современная космология представляет собой невероятную структуру с крепким, как скала, фундаментом, достойным вашего доверия. Каждая глава в своей основе опирается на предыдущую, поэтому книгу лучше читать с самого начала. Если же вы хотите получить из нее лишь краткую выжимку, ваше терпение в один момент просто иссякнет.

Как уже было сказано, космология поднимает перед нами глубинные вопросы, и я постараюсь не избегать их, говоря о понятийных основах современной теории Большого взрыва. Как сказал один мудрый наставник, «если ты задаешь глупые вопросы, ты чувствуешь себя глупым, но если ты не задаешь глупые вопросы, ты остаешься глупым». Таким образом, по мере чтения вы будете чаще задавать вопросы, чем получать ответы. В итоге, пытаясь объять необъятное, вы довольно скоро перейдете от первичного вопроса «Что было до Большого взрыва?» – к финальному: «Почему существует что-то, а не ничто?» Учитывая, что люди бились над ним тысячелетиями, но так и не пришли к единому мнению, не стоит пытаться дать на него ответ.

Серьезно: если вы зададите тот же вопрос любому порядочному космологу, единственным ответом, на который вы можете рассчитывать, будет «я не знаю».

Лучше спросите его, имеют ли все эти уравнения на доске из сериала какой-то смысл? На это он сможет точно сказать: «Да, имеют». Я по личному опыту знаю, что космология и косметика – далеко не одно и то же, и к поверхностным вопросам космологи подготовлены достаточно плохо.

* * *

Поскольку книга рассчитана на усредненного читателя, я буду прибегать к аналогиям чаще, чем к уравнениям. Конечно, у такого подхода тоже есть свои риски. Рано или поздно любая аналогия рушится, ведь аналогия, как и теория, представляет собой лишь модель реальности, а не саму реальность. Например, говоря о Большом взрыве, космологи любят объяснять некоторые свойства расширяющейся Вселенной, приводя в пример воздушные шарики, хотя такое сравнение не является идеальным, ведь Вселенная – это не шар. Таким образом, прибегая к аналогиям, важнее всего понимать, чем именно они отличаются от реальности.

Я уже несколько раз использовал слово «теория» в своих объяснениях. Позвольте мне уточнить, что, когда ученый использует этот термин, он вкладывает в него не тот смысл, к которому мы привыкли. Мы часто слышим по радио, что у прокурора есть своя теория насчет того, как было совершено преступление, а у адвоката есть теория, что прокурор – сумасшедший. Как правило, это не теории, а гипотезы, не подкрепленные доказательствами, а ситуации, в которых они возникают, изменяются так быстро, что подтвердить или опровергнуть их становится невозможно.

Напротив, физическая теория – это сеть глубоко связанных между собой идей и прогнозов, подкрепленных доказательной базой в виде математических вычислений, наблюдений и экспериментов. Именно ее имеют в виду космологи, когда говорят о теории Большого взрыва. Элементы этой теории изучаются на протяжении уже почти ста лет, и некоторые космологи замечают, что их дисциплина все больше походит на инженерию, а не на фундаментальные исследования. В общем, современной космологии можно верить.

* * *

Но ключевое различие между космологией и другими науками никуда не исчезло: для исследований у нас есть лишь одна-единственная наблюдаемая Вселенная. Суть подавляющего большинства наук состоит в проведении эксперимента и его неоднократном повторении. Например, чтобы протестировать вакцину, производитель лекарств раз за разом испытывает ее на большом количестве подопытных, и если полученные им результаты не подтверждаются работой других ученых из других стран, вакцина отвергается как ненадежная. Космологи же (по крайней мере, пока) не имеют возможности проводить эксперименты в других вселенных и, следовательно, не могут с уверенностью говорить о том, как бы выглядела наша с вами Вселенная в тех или иных обстоятельствах.

И хотя космологи не могут объяснить нам всего, они в то же время говорят куда больше, чем ничего. Когда мы сталкиваемся с задачей изучения Вселенной как единого целого (а именно в этот момент мы оказываемся перед лицом главных вопросов), наличие лишь одной Вселенной для исследования оказывается вполне преодолимым препятствием, справиться с которым нам помогают данные и наблюдения, собранные нашими близкими коллегами – астрономами, традиционно занимающимися изучением поведения планет, звезд и галактик при помощи телескопов, расположенных на Земле или околоземной орбите. Конечно, астрономы – все существа совершенно земные, ведь еще ни один космический корабль или телескоп не смог добраться ни до ближайшей звезды, ни уж тем более галактики, а значит, мы по-прежнему не можем проводить эксперименты над астрономическими объектами^[2]. Но в основе астрономической науки лежит один важный принцип: фундаментальные законы физики одинаковы во всей Вселенной. Астрофизики – близкие коллеги космологов и астрономов – используют эти законы, чтобы расшифровывать поведение звезд и галактик. Поскольку пока нет возможности отправлять космические зонды в дальние уголки Вселенной, мы (по крайней мере, до тех пор, пока жива наша цивилизация) полагаемся на свет и иные источники информации, сообщающие о том, что там происходит. На самом деле один из величайших триумфов науки состоит именно в том, как много мы смогли узнать о космосе, не сходя с места и опираясь лишь на знание того, что законы природы в известном нам виде действуют повсюду. И все же вопрос, до какой степени законы физики применимы ко всей Вселенной, пока остается открытым.

В настоящее время космологи пытаются реконструировать эволюцию Вселенной, используя тот же подход, что астрономы и астрофизики: при помощи компьютера или простого листа бумаги мы применяем математические формулировки известных нам законов физики, чтобы построить модель изучаемой нами системы, а затем проверяем, соответствуют ли вычисления полученным наблюдениям. Такой системой может быть как скопление галактик, так и вся Вселенная. Если выстроенная нами модель согласуется с данными наблюдений, мы идем пить пиво. Если нет – ищем математические ошибки. Если математических ошибок не обнаружено, мы ищем ошибки концептуальные, а если модель и после этого не согласуется с наблюдениями, добавляем в нее новые явления и в том случае, если они улучшают результат, просим наших коллег-наблюдателей приступить к их поиску.

Ученый обязан стремиться избегать добавления новых сущностей для объяснения тех или иных явлений, пока не исчерпаны возможности существующей теории. А уж размышляя о первых мгновениях после Большого взрыва, хм…

* * *

Размышляя о самых первых мгновениях, последовавших за Большим взрывом и возникновением Вселенной, читатель может задаться вопросом, где именно астрономия и астрофизика уступают место космологии. Правда в том, что четких границ здесь нет. Как правило, ученый, занимающийся исследованиями в одной из этих трех областей, и в остальных двух будет разбираться неплохо. Разница между ними по большей части в масштабах. Астрономы и астрофизики традиционно изучают поведение звезд, планет и галактик. Не так давно они обратили внимание на скопления и сверхскопления галактик. Космологи, в свою очередь, наблюдают самую широкую картину из возможных: они пытаются понять, как область, размерами напоминающая сверхскопление, стала похожа на Вселенную в том виде, в каком мы ее знаем.

Несмотря на то что поведение галактик обусловлено теми же законами физики, что и поведение звезд, эта книга не рассказывает ни о галактиках, ни о звездах, ни о планетах. Также в ней почти не затрагивается тема черных дыр, ведь, при всей своей увлекательности, с космологической точки зрения они слишком малы, чтобы на них останавливаться.

Для любого космолога крайне важно и полезно учитывать наличие разных астрономических масштабов, поэтому на протяжении всей книги я буду использовать стандартную астрономическую практику: обозначать расстояния в единицах измерения времени, требующегося свету, чтобы пройти эти расстояния.

Вы наверняка знаете, что свету требуется около восьми минут, чтобы пройти путь от Солнца до Земли. Округлим до десяти. Таким образом, мы можем сказать, что Земля находится на расстоянии примерно десяти световых минут от Солнца. Аналогично световой год – это расстояние, которое свет преодолевает за один год. Астрономы никогда не переводят световые годы в мили или километры, а значит, и вам не стоит. Лучше постарайтесь приучить себя к мысли, что масштабы во Вселенной могут быть очень разными.

Расстояние от Земли до ближайшей звезды за пределами Солнечной системы – четыре световых года.

Диаметр нашей галактики – Млечного Пути – около ста тысяч световых лет.

Расстояние между скоплениями галактик – миллионы световых лет.

Размер сверхскопления галактик – сотни миллионов световых лет.

Размер наблюдаемой Вселенной – более миллиарда световых лет.

* * *

Таковы в общем виде масштабы, с которыми мы будем работать в этой книге.

Кто-то еще хочет получить от меня совет по поводу теней и туши для ресниц? Сомневаюсь.

1
Гравитация, тыквы и космология

Космология – это наука о том, как гравитация определяет эволюцию всей Вселенной. Следовательно, чтобы разобраться в космологии, мы должны разобраться в гравитации.

Гравитация – самое слабое из известных человеку природных взаимодействий. Взаимодействие же с точки зрения физики – это всего лишь отталкивание или притяжение, оказываемые на объект. Здесь нет никаких подводных камней. Одна из главных причин, по которым физику принято считать самой фундаментальной наукой, заключается в том, что именно представители этой области доказали: в природе существует лишь четыре фундаментальные силы. Одна из них, называемая сильным взаимодействием и действующая в ядре атома, является самой мощной и удерживает вместе элементарные частицы. Любое атомное ядро состоит из нейронов и протонов, и если бы не сила, которая их связывает, электрическое отталкивание, возникающее между положительно заряженными протонами, заставило бы его разлететься на части. Энергия, связанная с сильным взаимодействием, высвобождается, например, в момент ядерного взрыва. Однако этот тип силы действует только в атомном ядре, которое, в масштабах космологии, чрезвычайно мало.

Вторая фундаментальная сила – это слабое взаимодействие. В миллиарды раз более слабая, она управляет некоторыми формами радиоактивного распада. Например, она определяет скорость распада трития, тяжелого изотопа водорода, который после распада превращается в изотоп гелия. Как и сильное, слабое взаимодействие работает лишь в пределах атомного ядра, незначительного в масштабах космологии.

Наиболее важными в нашей повседневной жизни являются электрическое и магнитное поля, представляющие собой две стороны электромагнитного взаимодействия. Оно работает во всех химических соединениях и движет всеми электромагнитными устройствами – тостерами, смартфонами и вообще всем, что давно стало привычной частью нашей жизни. Несмотря на то что электромагнитное взаимодействие является основой современной цивилизации, для его создания требуется электрический заряд, а поскольку такие астрономические тела, как планеты, его не имеют, они не могут оказывать друг на друга электрическое и магнитное воздействие.

Все объекты оказывают друг на друга гравитационное воздействие. Тем не менее сама гравитация (четвертая сила) слаба по сравнению с другими видами взаимодействия – тот факт, что гравитационное притяжение всей Земли не может сдвинуть с места даже магнит на холодильнике, показывает, насколько гравитационная сила слабее по сравнению с электромагнитной. Физики склонны считать, что гравитационное притяжение между двумя ядрами водорода, протонами, примерно на тридцать шесть порядков величины^[3] меньше, чем электрическое отталкивание между ними. Инженеры, к примеру, вообще не учитывают гравитацию, разрабатывая электрические приборы.

И все же, поскольку ядерные силы действуют только в пределах атомного ядра, а астрономические тела электрически нейтральны, получается, что судьба Вселенной в руках самой слабой из всех сил в природе.

* * *

Современная теория гравитации представляет собой общую теорию относительности Эйнштейна, которую часто и справедливо называют самой красивой научной теорией.

На первый взгляд может показаться, что общая теория относительности – это всего лишь доработка теории тяготения Ньютона, разработанной последним почти четыреста лет назад. Вся теория состоит из одного уравнения, объясняющего, каким образом сила гравитации между двумя объектами зависит от их масс и расстояния, которое их разделяет. Нам даже не нужно записывать это уравнение, чтобы понять его смысл: зная массы объектов и расстояние между ними, мы можем точно определить силу гравитации, действующую между ними^[4].

Выше я уже говорил, что сила в физике – это на самом деле отталкивание или притяжение. Она заставляет объект менять свою скорость, или, другими словами, ускоряться. Если пианино движется, ускоряясь и замедляясь, на него действует сила. Если скорость движения пианино неизменна, оно не находится под действием силы.

Согласно теории Ньютона, если мы знаем, какие силы действуют на объект, мы можем вычислить величину его ускорения и таким образом спрогнозировать его поведение в будущем. Это значит, что если бы нам были известны массы всех звезд во Вселенной и актуальные расстояния между ними, мы бы знали все как о ее прошлом, так и о ее будущем. Именно поэтому Вселенную Ньютона часто сравнивают с часовым механизмом. По большей части это сравнение справедливо.

* * *

Ньютоновская теория тяготения так хорошо показала себя в стандартных условиях работы, что в течение еще двух столетий астрономы были уверены, будто она может объяснить абсолютно все перемещения, наблюдаемые в Солнечной системе. Лишь к середине XIX века они начали догадываться, что могли заблуждаться. Как и все планеты, Меркурий движется вокруг Солнца по эллиптической орбите. В случае если бы Меркурий и Солнце были единственными небесными телами в Солнечной системе, точка, в которой расстояние между ними минимально, называемая перигелием, всегда оставалась бы неподвижной. Но астрономы заметили, что перигелию свойственно постепенно менять свое местоположение. Результаты расчетов показали, что в значительной степени эти перемещения вызваны гравитационным притяжением со стороны других планет Солнечной системы, однако это не объясняло всего смещения. И это загадочное отклонение ученые пытались объяснить в течение почти полувека, выдвигая самые разные теории.

Когда в начале XX века Эйнштейн начал разрабатывать общую теорию относительности, смещение перигелия Меркурия было единственным наблюдаемым доказательством (помимо теории электромагнитного поля Джеймса Клерка Максвелла), подтверждающим, что теория тяготения Ньютона может оказаться неполноценной.

Начнем с того, что теория Ньютона – это теория частиц и сил. Представьте себе две тыквы на грядке. Мы можем считать их двумя телами, притягивающими друг друга сквозь грядки. Земля и Луна – такие же тела: они тоже притягивают друг друга в результате воздействия на них гравитации, но уже в космосе. Ни в том, ни в другом случае теория Ньютона не объясняет, как сила передается от одного тела к другому. По этой причине ньютоновскую гравитацию часто называют теорией действия на расстоянии (во времена Ньютона словом «действие» называли силу).

Не менее важно и то, что гравитационная сила, очевидно, передается от одного объекта к другому мгновенно. Таким образом, если бы Солнце исчезло, планеты к нему больше бы ничто не привязывало и они бы в тот же миг отправились дрейфовать в космосе.

* * *

А теперь попробуйте представить тыквы не на грядке, а плавающими в пруду. Очевидно, что это уже совсем другая картина. Вода в пруду состоит из огромного количества молекул, но они настолько крохотные, что мы можем ими пренебречь. Это позволяет нам допустить, что в каждой отдельно взятой точке вода имеет определенные плотность и давление. Плотность и давление – «массовые» величины, не имеющие никакого отношения к отдельным частицам. Таковы характеристики так называемого поля. Воздух в комнате или эластичную поверхность батута можно рассматривать как «поле». Во многом оно также напоминает рой пчел.

Сравнение с полем отлично демонстрирует естественный механизм взаимодействия. Когда тыквы, плавая в пруду, сталкиваются друг с другом, от них расходятся небольшие волны. Эти волны представляют собой локальные возмущения поля, распространяющиеся с определенной скоростью. А ньютоновская гравитация кажется нам силой, каким-то образом практически мгновенно пронзающей безграничное пространство.

«Позвольте возразить! – скажете вы учтиво. – Но гравитация между Землей и Луной не сопровождается какими-то волнами!» Это правда. Все аналогии в один момент рушатся. Но когда мы говорим о постоянной гравитации, существующей между телами, совсем не важно, представляем мы себе силы или поля. Главное, что поля существуют, и если вы хоть раз пробовали рассыпать железную стружку по листу бумаги, положенному на магнит, то могли наблюдать форму магнитного поля достаточно непосредственно. Вообще, концепция поля настолько всеобъемлюща, что абсолютно любая современная теория фундаментальной физики является в конечном счете теорией поля. Без нее было бы практически невозможно описать электромагнитные и гравитационные волны.

Конечно, изучив законы, управляющие поведением электрических и магнитных полей, Максвелл показал, что эти поля могут распространяться в вакууме космоса в виде электромагнитной волны, движущейся со скоростью 3×10⁸ м/с. Тогда, в 1865 году, его особенно поразило, что полученное число почти соответствовало скорости света, которая к тому времени уже была точно измерена. По его словам, последнее наблюдение заставляет нас сделать вывод, что сам свет также является электромагнитной волной, движущейся не бесконечно быстро, а с конечной скоростью 3×10⁸ м/с. Спустя несколько десятилетий исследование Максвелла было подтверждено открытием радиоволн и стало величайшим триумфом в мире физики XIX века.

В начале XX века было выдвинуто несколько теорий гравитации, основанных на электромагнитной теории Максвелла, но все они были отвергнуты, поскольку поведение гравитации и электромагнетизма не полностью идентично. Эйнштейн был первым, кто понял разницу между ними, и, следовательно, первым, кто правильно понял гравитацию. Но чтобы оценить, как теория, которую сам он назвал общей теорией относительности, описывает гравитационное поле, нужно сперва разобраться в том, что ей предшествовало и служило отправной точкой – специальной теорией относительности.

Что относительно, а что нет?

2
Специальная теория относительности

Еще в 1820-х годах естествоиспытатели поняли, что электричество и магнетизм тесно связаны между собой: электрический ток создает магнитные поля, и наоборот. Этот процесс детально описывает электромагнитная теория Максвелла. Специальная теория относительности Эйнштейна, в свою очередь, показывает, что электричество и магнетизм не просто связаны, но еще и являются двумя сторонами одного и того же явления. Эти наблюдения привели Эйнштейна к выводу, что физика Ньютона должна быть преобразована.

Однако Эйнштейн никогда бы не согласился с распространенным выражением «все относительно». По сути, практически все направления физики изучают движение, а основной вопрос, который ставит перед нами идея относительности, звучит так: «Что меняется вместе с движением объекта, а что остается неизменным?» Что-то меняется, а что-то – нет, и мы вполне могли бы называть теорию относительности теорией абсолютов, что фактически и было предложено.

Главный абсолют в относительности – это скорость света. Когда Максвелл сделал открытие, что электромагнитные волны преодолевают пространство в вакууме со скоростью 3×10⁸ м/с, всех поразило, что цифра, которую сегодня принято обозначать буквой c, буквально выпрыгнула из его уравнения.

Когда мы измеряем скорость поезда или бейсбольного мяча, мы всегда делаем это относительно какого-то другого объекта. Например, если мы стоим в поле и говорим, что поезд движется на восток со скоростью 100 км/ч, мы приводим эту цифру, учитывая положение поезда относительно Земли. Но если мы наблюдаем за поездом из машины, двигаясь, как и поезд, на восток, но со скоростью 75 км/ч, нам кажется, что поезд движется со скоростью всего 25 км/ч. Это происходит потому, что измеряемая скорость зависит от системы отсчета: грубо говоря, от местоположения точки, из которой мы наблюдаем за движением объекта, то есть непосредственно от места, где мы находимся.

Результаты исследований Максвелла оказались весьма странными: они показывали, что c = 3×10⁸ м/с, но ничего не говорили о том, относительно какого объекта высчитана эта скорость. Сам Максвелл говорил, что его электромагнитные волны распространяются через светоносный эфир. Если водяные волны расходятся по воде, а звуковые – по воздуху, вполне естественно было предположить, что у световых волн тоже есть среда распространения. Светоносный эфир, каким его видел Максвелл, пронизывал весь космос и обеспечивал абсолютный стандарт покоя. Если вы сидите в поезде, вы пребываете в состоянии покоя относительно поезда, поезд же пребывает в движении относительно Земли, а Земля, в свою очередь, пребывает в движении относительно эфира. Меркурий тоже имеет свою скорость относительно эфира, и вы можете сравнить скорость Земли и Меркурия, сказав, что у каждой из этих планет есть своя скорость относительно эфира. Таким образом, Максвелл утверждал, что скорость света относительно эфира равна 3×10⁸ м/с.

К сожалению, обычные вычисления наделили и без того загадочный эфир еще более странными свойствами. Получалось, например, что поскольку эфир должен быть в сто раз более разреженным, чем воздух, он в то же время в тысячу раз жестче алмаза. Кроме того, все попытки обнаружить его провалились.

* * *

В 1905 году Эйнштейн взял быка за рога и объявил эфир несуществующим. Впрочем, он согласился с выводом Максвелла, что скорость света, c, является постоянной и должна восприниматься как закон природы. Так родилась специальная теория относительности Эйнштейна. В ее основу легли два постулата.

Первый: абсолютного движения не существует. Эта аксиома, позаимствованная Эйнштейном у Галилея, гласит, что никакие эксперименты, проведенные над поездом, не помогут понять, находится ли он в состоянии покоя или движется с постоянной скоростью. Любое измерение параметров движения производится относительно системы отсчета, и ни одна из них не может превалировать над другими.

Второй постулат гласит, что для любого наблюдателя в любой точке наблюдения скорость света (с) в вакууме равна 3×10⁸ м/с.

Здесь нам потребуется парочка терминологических комментариев. Первый постулат известен как принцип относительности (сам Эйнштейн никогда не называл свою теорию теорией относительности, так что название закрепилось за ней уже в последующие годы). Специальной же он назвал ее потому, что она рассматривала движение с постоянной скоростью. Движение с ускорением в этой теории Эйнштейн не рассматривал и предполагал, что система отсчета тоже неподвижна или движется с постоянной скоростью. Теория относительности диктует относительность движения.

Второй принцип, кажущийся простым, все меняет. Идея о том, что величина скорости света неизменна и не зависит от системы отсчета, полностью противоречит физике Ньютона. Если бы свет двигался так же, как машина, несущаяся по шоссе, его скорость зависела бы от системы отсчета наблюдателя, которым в физике выступает любой человек или инструмент, выполняющий измерение.

* * *

Принцип постоянства скорости света также показал, что скорость и время больше не могут рассматриваться отдельно друг от друга, как прежде. Не так сложно понять почему. Представьте себе часы в виде мячика, подпрыгивающего вверх-вниз в поезде, как показано на верхней картинке на рис. 1.

Рис. 1

Борис, находящийся в поезде, видит, как мячик прыгает вверх-вниз, и может установить, что путь от пола до потолка и обратно он проходит за одну секунду. В то же время Наташа, наблюдая за поездом с земли, как показано на нижней картинке, видит, как поезд движется слева направо со скоростью v. Как и Борис, она видит, что мячик совершает путь до потолка и обратно за одну секунду, но относительно земли траектория его движения имеет форму треугольника, поэтому он движется еще и вперед.

Кроме того, для Наташи мячик движется быстрее. Его скорость движения по вертикали для них с Борисом одинакова, но Наташа также видит, как он движется вперед со скоростью поезда. Благодаря этой дополнительной скорости мячик в глазах Наташи проходит большее расстояние, чем в глазах Бориса, но делает это за один и тот же период времени, так что одна секунда Наташи равна одной секунде Бориса. Ведь в физике Ньютона время универсально.

Не менее революционным открытием Эйнштейна было то, что свет состоит из частиц, которые последние сто лет принято называть фотонами. Если мячик в нашем примере – это фотон, то, в соответствии со вторым принципом теории относительности, оба наблюдателя будут видеть его движущимся с одной и той же скоростью. Но поскольку наблюдателю снаружи кажется, что фотон должен преодолевать большее расстояние, движение мяча до потолка и обратно также должно занять больше времени. Таким образом, одна секунда, отмеренная Наташей, будет длиться дольше секунды, отмеренной Борисом внутри поезда. Разница же будет зависеть от скорости поезда и, следовательно, от того, как далеко он продвинется в пространстве за одну секунду.

Этот простой мысленный эксперимент показывает, что пространство и время больше не могут измеряться независимо друг от друга. Эйнштейн максимально точно показал, как они связаны, но для наших целей эти детали не являются обязательными. Важнее то, что с появлением понятия относительности физики больше не рассматривают пространство и время по отдельности; вместо этого они говорят о четырехмерном пространстве-времени, в котором расстояния измеряются в пространстве и времени одновременно.

Хотя концепция пространства-времени является неотъемлемой частью специальной теории относительности, принадлежит она не Эйнштейну. Ни в одной из своих ранних работ по теории относительности он не называет время четвертым измерением. Первым о необходимости этой концепции заговорил французский математик Анри Пуанкаре, а развил его первым немецкий математик Герман Минковский. Эйнштейн даже высказывался против пространственно-временной концепции, называя ее «излишне заумной», хотя в итоге она сыграла крайне важную роль в формулировании общей теории относительности.

* * *

Специальная теория относительности повлекла за собой и другие революционные последствия. Например, понимание того, что скорость света служит пределом скорости в природе, ни одно тело не может двигаться быстрее скорости света. Благодаря ей мы также узнали, что с ростом скорости объекта увеличивается его масса. Следовательно, масса движущегося тела начинает стремиться к бесконечности, когда скорость тела стремится к скорости света – и это одна из причин, по которым ничто не может двигаться быстрее, чем свет.

Другим последствием специальной теории стало бессмертное уравнение Эйнштейна E = mc², согласно которому энергия тела равна его массе, помноженной на квадрат скорости света. По определению, свет проходит один (1) световой год за один год, а значит, в данной системе единиц измерения c (скорость света) равняется 1, и, следовательно, уравнение Эйнштейна можно сократить до E = m. С появлением понятия относительности физики начали рассматривать энергию и массу как проявления одного и того же свойства материи, поэтому «плотность массы» и «плотность энергии» стали для них, как и для нас в этой книге, взаимозаменяемыми понятиями.

Вопреки расхожему мнению, Эйнштейн не был первым, кто доказал связь между массой и энергией. Кроме того – пусть это прозвучит как святотатство, – он так и не смог убедительно доказать равенство E = mc². Рассматривая этот вопрос в своей знаменитой работе, он допустил ошибку, которую затем безуспешно пытался исправить в последующих исследованиях. Как бы там ни было, его труды, сыгравшие центральную роль в объяснении работы атомной бомбы и атомных реакций на Солнце, определенно выдержали испытание временем.

Что же ускользнуло от специальной теории относительности?

3
Общая теория относительности как основа космологии

По сути, современная космология в основном и представляет собой применение общей теории относительности Эйнштейна ко всей Вселенной в целом. Сегодня эта теория является если не самой, то одной из наиболее проверенных научных теорий в истории: ей не противоречит ни один эксперимент или наблюдение, и среди космологов больше не осталось сомнений в том, что она прекрасно описывает нашу Вселенную.

В то время как математическая составляющая общей теории относительности довольно сложна, ее базовые концепции вполне доступны. Поэтому прежде, чем обратиться к космосу, нам стоит разобраться в том, как общая теория относительности преобразовалась в теорию гравитации в известном нам виде, а также в том, как она формирует наши представления о пространстве и времени.

Поскольку почти вся физика сводится к движению, необходимо уделить внимание еще одному фундаментальному понятию: изменению скорости или, другими словами, ускорению^[5]. Когда Эйнштейн разрабатывал специальную теорию относительности, он говорил об объектах, движущихся с постоянной скоростью; его теория не учитывала ускорение, а поскольку ускорения не бывает без силы, она также не учитывала и ее.

С целью распространить специальную теорию относительности на движение с ускорением он и создал общую теорию относительности. Зачастую – и справедливо – общая теория относительности именуется самой красивой теорией, ведь, несмотря на сложные уравнения, ее общее построение и возможности прогнозирования берут начало в двух простых, но чрезвычайно глубоких тезисах.

* * *

Начнем с того, что Эйнштейн называл самой удачной мыслью в своей жизни. Еще со времен Галилея было известно, что при отсутствии значительного сопротивления воздуха все предметы падают на землю с одинаковым ускорением. Это и есть то самое ускорение свободного падения, обычно обозначаемое буквой g. Вблизи земной поверхности g составляет 9,8 м/с², но этот показатель важен скорее для инженеров. Для физиков же важнее, что g не зависит от массы и материала падающего объекта. Другими словами, в условиях вакуума золотые слитки, арбузы и птичьи перья будут падать с одинаковой скоростью.

Представьте, что мы оказались в лифте, у которого оборвался трос; поскольку и мы, и лифт будем падать с одинаковым ускорением (g), мы в момент падения будем чувствовать себя в невесомости: наши ноги перестанут упираться в пол или весы, которые мы случайно прихватили с собой как раз на такой случай.

В небольшом замкнутом пространстве состояние свободного падения неотличимо от отсутствия гравитации.

Именно такие условия можно наблюдать на Международной космической станции: астронавты и космонавты падают на Землю с той же скоростью^[6], что и станция, и за счет этого чувствуют себя невесомыми. Приводя в пример более знакомую ситуацию, можно вспомнить, что происходит с нами в лифте, который набирает скорость, поднимаясь вверх: мы чувствуем, будто наш вес увеличивается, и поэтому нам кажется, что сила гравитации возрастает.

Эйнштейн обобщил все эти наблюдения в виде закона природы, который он назвал принципом эквивалентности.

Ни один эксперимент, если проводить его в достаточно маленьком замкнутом пространстве, не позволит отличить равномерное ускорение от однородного гравитационного поля.

Другими словами, если в лифте нет окон, вы не сможете определить, что именно ускоряет его движение: то ли это возросла сила, с которой его тянет трос, то ли это масса Земли, внезапно увеличившись, повлекла за собой рост гравитации. Точно так же, если трос лифта оборвется, вы не сможете понять: падаете ли вы на землю с ускорением, равным g, или Земля под вами просто внезапно исчезла. Получается, что в отдельно взятом пространстве ускорение и гравитационное поле^[7] эквивалентны.

Подобные наблюдения и привели Эйнштейна к мысли, что расширение специальной теории относительности с учетом ускорения потребует разработки новой теории тяготения.

* * *

Теория гравитации Эйнштейна, обманчиво названная общей теорией относительности, изменила наше представление о пространстве и времени даже в большей степени, чем специальная теория относительности. Уже один принцип эквивалентности требует, чтобы на разных высотах от поверхности Земли в ее гравитационном поле часы тикали с разной скоростью. Этот принцип подтверждается миллионы раз каждый день, и без него жизнь современного человека во многих ее аспектах была бы попросту невозможна.

Чтобы слегка обновить эксперимент, предложенный Эйнштейном, представьте себе космический корабль, набирающий скорость в пустом пространстве космоса. Наташа, находящаяся в верхней части корабля, и Борис, находящийся в нижней, пользуются одинаковыми телефонами. Приложение «Эквивалентность» на телефоне Наташи посылает на телефон Бориса сигналы в виде маленьких вспышек света. По Наташиному времени сигналы посылаются на телефон Бориса ежесекундно, но поскольку Борис, пока вспышки летят к нему, все быстрее движется вверх, он получает сообщения Наташи быстрее, чем если бы двигался на постоянной скорости. Борис видит сигналы через более короткие интервалы, чем они посылаются с телефона Наташи, и это заставляет его думать, что его часы идут быстрее, чем часы Наташи^[8]. Если ускорение и гравитационное поле эквивалентны в космосе, значит, они должны быть эквивалентны и на Земле.

Система глобального позиционирования (GPS) полагается на повторяющиеся с определенной периодичностью сигналы, посылаемые созвездием спутников, расположенных на орбите Земли. Поскольку эти спутники движутся на большой скорости, их бортовые часы, согласно специальной теории относительности, идут медленнее, чем часы смартфонов на Земле; а общая теория относительности обуславливает их замедление слабым гравитационным воздействием на большом расстоянии от Земли. Расхождение, рассчитанное на основе общей теории относительности, вдвое больше, чем рассчитанное на основе специальной теории, однако оно в обоих случаях не превышает одной миллиардной доли секунды.

Свет на скорости 3×10⁸ м/с преодолевает около трети метра за одну миллиардную долю секунды. Это значит, что если GPS не будет делать поправку на относительные расхождения, то данные, которые он вам посылает, каждую секунду будут отставать от вашего реального местоположения примерно на 30 см. Из-за этого вы в течение всего нескольких минут полностью перестанете ориентироваться по GPS-навигатору и безнадежно заблудитесь.

Общая теория относительности гласит истину.

* * *

Кроме того, общая теория относительности описывает космос таким, каким Ньютон бы его никогда не узнал. Возможно, вы уже слышали о знаменитом законе инерции, который он позаимствовал у Галилея. Этот закон гласит, что каждому телу свойственно продолжать делать то, что оно уже делает. Выражаясь чуть более точно, если никакая сила не воздействует на объект, он продолжает двигаться равномерно по прямой. Гравитация же, напротив, заставляет объект двигаться по кривой траектории – например, когда вы бросаете мяч и он падает на землю. Мы только что видели, что гравитация исчезает в лифте, находящемся в свободном падении. В соответствии с законом инерции мячик, брошенный в таком лифте, продолжит двигаться по прямой в направлении броска, как на первой картинке на рис. 2.

Рис. 2

Эйнштейн установил, что свет ведет себя точно так же. Это значит, что, поскольку и в лифте, находящемся в свободном падении, и в лифте, движущемся с постоянной скоростью, никакие силы не действуют, свет в таких лифтах совершает движение по прямой, как на той же первой картинке. Но в случае лифта, поднимающегося вверх с ускорением g, или просто над планетой, обладающей g-гравитационным полем, принцип эквивалентности требует, чтобы свет отклонялся от прямой траектории, причем в обоих случаях величина отклонения будет одинаковой, как показано на картинке посередине и справа.

Получается довольно странная картина: траектория пути объекта (прямая или кривая) зависит от точки отсчета, если выражаться в терминах предыдущей главы. Не менее странно то, что само существование гравитации, как кажется, тоже зависит от точки отсчета. И это правда.

Представьте себе здание из будущего: пусть его длина будет ненамного меньше диаметра самой Земли. На самом верху этого здания показатель ускорения свободного падения, g, будет значительно меньше, чем у его подножия, ведь это уже не то «небольшое замкнутое пространство», о котором мы говорили ранее.

А теперь представьте, что будет, если в таком здании оборвутся два троса, поднимающие лифты: один – ближе к крыше, а другой – ближе к земле. Очевидно, что оба лифта будут падать с разным ускорением. Человек, бросивший мяч в лифте повыше, увидит, что он движется в направлении броска по прямой линии, и то же самое увидит человек, бросивший мяч в лифте, находящемся ближе к земле. Но тот, кто наблюдает за обоими мячами со стороны, скажет, что их траектория движения различается. Это различие отображено на центральной картинке на рис. 3. Сравните эти два броска с двумя другими, совершенными при таких же обстоятельствах, но в здании поменьше, где величина g сохраняется в обеих точках здания: оба мяча движутся по одинаковым траекториям, которые никогда не пересекутся. В то же время, если мы бросим два мяча в высоком здании, лежащем на боку, они оба будут падать в направлении центра Земли, так что в итоге их траектории сойдутся, как на картинке справа.

Рис. 3

Это явление, когда тела, находящиеся рядом друг с другом, следуют по одинаковым траекториям, а тела, разделенные большим расстоянием, – по разным, лежит в основе приливов. Та сторона Земли, что находится ближе к Солнцу, подвержена воздействию гравитационного поля в большей степени, чем обратная ее сторона. Эта разница в воздействии сил приводит к растяжению Земли, формирующему знаменитый приливной горб^[9], а также к океанским приливам.

Как вы уже поняли, везде можно найти маленький лифт, внутри которого гравитация пропадает. Приливы возникают в поле нашего зрения, когда мы пытаемся рассмотреть ситуацию в глобальном масштабе, при этом на Земле они являются объективной реальностью. Выражаясь языком Ньютона, приливы – это очевидное и недвусмысленное проявление гравитации.

Современные космологи любят говорить о гравитации на языке геометрии. Все мы знаем, что две линии, проведенные параллельно друг другу на листе бумаги, никогда не пересекутся (это и есть знаменитый пятый постулат евклидовой геометрии). Специальная теория относительности так же проста: силы в ней не играют никакой роли, а потому объекты, движущиеся по параллельным траекториям, никогда не меняют своего маршрута. Специальная теория относительности – это теория плоского пространства-времени.

Напротив, на изогнутой поверхности две изначально параллельные линии могут в конце концов пересечься. К примеру, две линии долготы параллельны на экваторе Земли, но пересекаются в областях северного и южного полюсов, как показано на картинке слева на рис. 4. Обратите внимание, что общая сумма углов в треугольнике на картинке превышает 180° (сумма углов в основании треугольника уже равна 180), что является еще одним признаком кривизны поверхности. В то же время две параллельные линии, огибающие цилиндр на второй картинке, никогда не пересекутся, а значит, его поверхность не изогнута, несмотря на видимость.

Рис. 4

Непосредственной причиной таких пересечений как раз и является гравитация. Внутри одного лифта тела движутся параллельно друг другу, но те, что находятся на значительном расстоянии друг от друга, могут двигаться по траекториям, находящимся на изогнутых поверхностях, и поэтому могут в один момент пересечься. Некоторые физики утверждают, что геометрические фигуры – плохая аналогия для описания теории относительности. Однако геометрия общей теории относительности представляет собой как раз геометрию кривых поверхностей, разработанную Георгом Бернхардом Риманом и другими учеными в XIX веке, когда время начали рассматривать в качестве четвертого измерения. Геометрическая аналогия – это идеальная аналогия, ведь гравитация как раз и представляет собой искривление пространства, а точнее, пространства-времени.

Классическая теория тяготения Ньютона учит нас, что тела, обладающие массой, порождают силу тяготения, которая приводит в движение другие тела. Общая теория относительности, в свою очередь, говорит, что материя искривляет пространство-время и эта кривизна определяет движение всей остальной материи. Если в физике Ньютона силы действуют в пространстве, которое всегда остается плоским, то в физике Эйнштейна пространство-время обретает кривизну, постоянно меняя форму по мере того, как пропускает через себя материю. Общая теория относительности повлекла за собой настоящую революцию.

Завершив в 1915 году работу над своей теорией, Эйнштейн наконец смог объяснить смещение перигелия Меркурия. Поскольку Меркурий – самая близкая к Солнцу планета, пространство, в котором он находится, искривлено достаточно, чтобы расхождение его траектории с траекторией, рассчитанной по законам Ньютона, можно было измерить. В 1919 году в ходе знаменитой экспедиции, организованной для наблюдения за солнечным затмением и возглавлявшейся Артуром Эддингтоном, стало известно, что звездный свет отклоняется гравитационным полем Солнца – так, как и описывал этот процесс Эйнштейн. Век спустя общая теория относительности была признана одной из наиболее проверенных теорий в истории, и то, что нам больше не нужно учиться чтению топографических карт, прекрасно доказывает ее правильность.

* * *

Как и электромагнетизм, общая теория относительности представляет собой теорию поля и допускает распространение волн. Как уже было сказано в главе 1, общая теория относительности стала не первой теорией гравитационного поля, а Эйнштейн не был первым, кто догадался о существовании гравитационных волн. Более того, он даже отрицал их существование, а когда понял свою ошибку, поначалу описал их совершенно неправильно. Впрочем, Эйнштейн также был и первым человеком, сделавшим это верно.

Как и в теории электромагнетизма, где ускорение электрических зарядов производит электромагнитные световые или радиоволны, в общей теории относительности ускорение массы порождает гравитационные волны, распространяющиеся со скоростью света. В отличие от световых, гравитационные волны не могут быть обнаружены при помощи простых телескопов: эти слабые приливные искажения, распространяющиеся сквозь пространство-время, заставляют сам измерительный прибор расширяться и сжиматься, точно так же как лунные приливы заставляют расширяться и сжиматься Землю. Из-за слабости гравитации гравитационные волны невообразимо трудно обнаружить, ведь в процессе измерения детектор сам растягивается или сжимается на величину, примерно равную одной десятитысячной диаметра протона. И все же, спустя более полувека попыток, свершилось долгожданное чудо: в 2016 году лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO) объявила об открытии гравитационных волн. Волновые возмущения, возникающие из-за столкновения черных дыр в миллиарде световых лет от нас, полностью соответствовали прогнозам общей теории относительности. Пусть это открытие и довело до слез некоторых космологов, с ним в астрономии началась новая эпоха.

* * *

Вы уже, наверное, поняли, что общая теория относительности верна настолько, насколько это вообще возможно для научной теории. Она является частью того, что физики называют классической теорией, то есть разделом физики, не учитывающим квантовую механику. Все же вполне вероятно, что вскоре нам понадобится создать квантовую теорию гравитации, которая позволит описать сингулярность Большого взрыва – достаточно скоро мы поговорим и о ней. За исключением сингулярности, общая теория относительности работает во всех возможных ситуациях, а потому космологи без лишних сомнений прибегают к ней при описании эволюции нашей Вселенной.

Как мы убедимся далее, реальная Вселенная почти что плоская. Другими словами, мы с вами живем в евклидовой Вселенной. Из-за этого современная космология зачастую довольствуется концепцией Ньютона, в то время как большая часть формального аппарата общей теории практически всегда оказывается излишней. И все же выводы теории относительности имеют ключевое значение. Вблизи таких объектов, как черные дыры, гравитационное поле может быть экстремально сильным, пространство-время заметно искажено, что требует применения всех постулатов общей теории относительности.

* * *

До сих пор, говоря об общей теории относительности, я не затрагивал второй его постулат. Название у него довольно нелепое, поэтому давайте просто назовем его «обобщенным» принципом относительности. Вы уже знаете, что специальная теория относительности рассматривала лишь движение с постоянной скоростью или, если быть точнее, лишь те системы отсчета, которые движутся с постоянной скоростью; Эйнштейн объявил, что законы природы в них во всех одинаковы. Работая уже над общей теорией относительности, он сказал, что нужно научиться описывать движение в любой возможной системе отсчета, и в том числе – в движущейся с ускорением.

Его заявление породило много глубоких и важных вопросов. Большинство из нас наверняка бывали в парке развлечений и помнят аттракцион, в котором кабинки вращаются по кругу и вокруг своей оси, как в центрифуге. Обычно мы говорим, что центробежная сила придавливает нас к стенке кабинки, стремясь выбросить наружу. Так это ощущается внутри. Однако сторонний скептик-наблюдатель, стоящий на земле, заявил бы, что это только наше воображение. Если бы кабинка внезапно исчезла, мы бы полетели по прямой, в соответствии с законом инерции Ньютона. Центробежная сила, которую мы ощущаем, – вымысел, и на самом деле это стена кабины давит на нас, не давая из нее вылететь.

Этот вращающийся аттракцион тоже является ускоряющейся системой отсчета, и, как написано во многих учебниках, физику на примере таких систем изучать нельзя. Центробежная сила – плод нашего воображения, потому что на земле, не пребывающей в состоянии ускорения, она исчезает. И все же мы видели, как гравитация исчезает в падающем лифте, который в данном случае эквивалентен системе отсчета, движущейся без ускорения. Может, гравитация – тоже выдумка?

На этот вопрос возможен только один ответ: если мы доверяем общей теории относительности, то у нас нет иного выбора, как признать, что реальны либо гравитация, либо те самые вымышленные силы. Иного не дано.

* * *

Эта дилемма ставит перед нами еще более глубокий вопрос. Представьте, что мы сидим в поезде. Согласно специальной теории относительности, мы не можем определить, движется ли он с постоянной скоростью или находится в состоянии покоя. Тем не менее мы точно знаем, в какой момент он начинает ускоряться, – это происходит, когда движение поезда отталкивает нас к спинкам кресел.

Вопрос заключается в том, относительно чего ускоряется поезд. Исаак Ньютон сказал бы, что ускорение происходит относительно абсолютного пространства – эфира, пребывающего в неизменном состоянии абсолютного покоя. Вводные курсы физики как бы разделяют его точку зрения и создают тем самым основу для иллюзорного существования эфира.

Значительное влияние на Эйнштейна и его общую теорию относительности оказали работы немецкого физика и философа Эрнста Маха, который был уверен, что абсолютное пространство – плод фантазии Ньютона. Если же обнаружить абсолютное пространство невозможно, остается говорить об ускорении только относительно других материальных объектов – например, звезд. Эту мысль Эйнштейн окрестил «принципом Маха».

На самом деле этот принцип был продемонстрирован еще в 1851 году в Париже, когда Леон Фуко подвесил к куполу Пантеона очень длинный маятник. В течение дня казалось, что плоскость, в которой раскачивался маятник, медленно вращается относительно пола Пантеона, но в реальности это Пантеон двигался вокруг маятника, который раскачивался в той же плоскости, но относительно звезд. Что же заставило маятник Фуко раскачиваться в плоскости, вращающейся относительно звезд? Может, система отсчета в виде звезд случайно совпала с абсолютным пространством? Для одних людей в этом нет никакой проблемы, для других это – одна из глубочайших тайн физики.

Эйнштейн намеревался встроить принцип Маха в общую теорию относительности. Во Вселенной, в которой исчезла бы вся материя, никто не смог бы обнаружить никакого ускорения. Насколько успешной оказалась попытка Эйнштейна, до сих пор остается предметом споров, но, чтобы раскрыть эту тему, нам бы понадобилась еще одна книга. Поэтому я предпочитаю на этом остановиться.

Как описывает Вселенную теория относительности?

4
Расширяющаяся Вселенная

Сегодня идея расширяющейся Вселенной пользуется такой популярностью, что уже успела укорениться в массовой культуре. Но что за ней стоит? Когда после любого публичного выступления на тему космологии слушатели начинают подниматься на сцену, первый их вопрос звучит так: «Если все остальные галактики от нас удаляются, означает ли это, что мы находимся в центре Вселенной?» Второй их вопрос: «Куда расширяется Вселенная?» Если уж совсем честно, иногда они следуют в обратном порядке. Так или иначе, эти вопросы довольно естественны, в то время как концепция расширяющейся Вселенной – нет.

Мы точно можем сказать, что она принадлежит не Эйнштейну: в 1916 году, когда он только опубликовал исследование, посвященное общей теории относительности, у науки еще не было никаких астрономических доказательств, что Вселенная расширяется. А когда Эйнштейн в том же году приступил к разработке первой современной модели космоса, он все еще полагал, что Вселенная статична. В течение следующего десятилетия астрономы приблизились к пониманию, что Вселенная расширяется, когда поняли, что звездные туманности находятся не в нашей галактике, как все думали раньше, а за пределами Млечного Пути; более того, стало понятно, что эти туманности от нас удаляются.

Теория расширяющейся Вселенной получила признание после 1929 года, когда Эдвин Хаббл представил свой знаменитый закон, утверждающий, что скорость удаления одной галактики от другой прямо пропорциональна расстоянию между ними. По причинам, которые, надеюсь, вскоре станут понятны, закон Хаббла также подразумевает, что галактики удаляются не только от Млечного Пути, но и друг от друга^[10].

Именно так астрономы понимают расширение Вселенной: все галактики отдаляются друг от друга. Это открытие стало важнейшим в истории космологии и легло в основу всей теории Большого взрыва, ведь если бы Вселенная не расширялась, Большого взрыва не было бы.

* * *

То, что сделал Хаббл, кажется довольно простым: он выстроил график зависимости скоростей ряда галактик от расстояний, которые их разделяют. Несмотря на то что данные выглядели как набор точек на рис. 5, Хаббл, будучи либо очень смелым, либо очень безрассудным, провел через них прямую линию.

Рис. 5

Здесь нам придется обратиться к формуле, которая, я обещаю, будет самой сложной математической задачей этой книги, – уравнение этой прямой линии. Уравнение для прямой Хаббла выглядит как v = Hd, где v – скорость галактики, d – расстояние до нее, а H – коэффициент, равный углу наклона линии. Прямая линия подразумевает, что скорость удаления галактики прямо пропорциональна расстоянию до нее. Таким образом, если расстояние от галактики Бета до нас вдвое больше, чем расстояние до галактики Альфа, значит, Бета удаляется от нас вдвое быстрее, чем Альфа. Кроме того, чем больше наклон, H, тем быстрее галактики, находящиеся на конкретном расстоянии от нас, удаляются.

Пожалуй, H, или постоянная Хаббла, является самым известным числом, пришедшим из мира космологии. Многие ученые-космологи целиком посвятили себя определению ее точной величины. Почему H так важна для нас? Хотя знание ее точной величины вряд ли может повлиять на исход выборов, оно, как мы вскоре увидим, позволит рассчитать скорость расширения Вселенной, являющуюся частью практически любого космологического процесса. Знание H также сообщит нам возраст жизни Вселенной, то есть время, прошедшее с момента Большого взрыва. В теории определить H довольно просто: по примеру Хаббла, нужно построить график соотношения скорости ряда галактик и расстояний между ними, а затем рассчитать угол наклона. Фраза «легче сказать, чем сделать» отлично подходит для этого случая.

Вычисление скорости другой галактики – сравнительно не сложный процесс, если обратиться за помощью к знаменитому допплеровскому эффекту: когда движущийся объект отдаляется от нас, частота испускаемых им световых волн смещается в красную часть спектра, а когда приближается – в синюю. Именно так в 1920-х годах астрономы узнали, что галактики (или туманности) удаляются от нас: их свет постепенно все больше краснел. Сдвиг частоты зависит от скорости испускающего свет объекта. Сравнивая наблюдаемый спектр испускаемого галактикой света, то есть его частоту, с известными нам частотами света, полученными в лаборатории, мы с легкостью сможем вычислить скорость ее удаления.

Напротив, измерение расстояния, отделяющего одну галактику от другой, требует определенной работы. Мы не можем сделать это при помощи простой линейки или лазерного дальномера. Расстояние до ближайших звезд можно определить методом триангуляции^[11], а благодаря таким спутникам-телескопам, как «Гиппарх» и «Гайя», мы можем сделать то же самое с миллиардами звезд Млечного Пути. Но измерение расстояний за пределами нашей галактики заставило астрономов проявить настоящую изобретательность и упорство. Наверное, установление шкалы или, как ее еще называют, лестницы космических расстояний стало наиважнейшим прорывом астрономической науки за последнее время, но даже при всей точности, с которой теперь проводятся измерения, споры по поводу астрономических расстояний не утихают. До тех пор, пока существуют сомнения в области измерения расстояний, сохранятся и сомнения по поводу иных космических параметров – в частности, H.

Тот факт, что используемая сегодня величина Н в семь раз меньше той, которую использовал в своих расчетах Хаббл, уже свидетельствует о наличии трудностей. Не всем, кто взглянет на график на рис. 5, будет ясно, что отклонение графика влево лучше соответствует данным; другие вероятные линии изображены на графике справа. И если уж на то пошло, почему линия на первом графике вообще должна быть прямой?

* * *

Вам будет легче понять закон Хаббла, подтвердив его экспериментальным путем на своей собственной кухне. Возьмите широкую резиновую ленту и нарисуйте на ней несколько галактик – пусть это будут точки, расположенные на одинаковом расстоянии друг от друга. Пометьте их: A, B, C, D… Затем начните растягивать ленту и не останавливайтесь, пока ваши планеты не начнут отдаляться друг от друга: A, B, C, D.

Теперь представьте, что вы находитесь в галактике A. Если лента тянется равномерно и B отстоит от A на один сантиметр, то C должна отстоять на один сантиметр от B и, следовательно, на два сантиметра от A. Поскольку все это происходит в течение того времени, пока вы растягиваете ленту, C должна удаляться от A в два раза быстрее, чем от B.

Это и есть закон Хаббла. Самое главное условие – лента должна расширяться равномерно, с одной и той же скоростью повсюду. Любая Вселенная, расширяющаяся равномерно, будет демонстрировать закон Хаббла.

Выше мы уже говорили о том, что H представляет собой скорость расширения Вселенной. Точнее, H показывает дробный коэффициент расширения Вселенной, другими словами, это прирост расстояния до галактики в процентах за единицу времени.

К примеру, если С находится на расстоянии 5 см от А, а последняя движется со скоростью 1 см/с, значит, расстояние меняется на 1/5 в секунду, и Н равно 1/5 в секунду. Конечно, резиновая лента объясняет этот процесс более наглядно, но я все равно дам дополнительное объяснение в сносках^[12].

Самое главное достоинство резиновой ленты как модели Вселенной состоит в том, что ни одна галактика на ней не занимает центрального положения. Например, если вы находитесь в галактике C, галактика A удаляется от вас вдвое быстрее, чем галактика B. Картина станет еще яснее, если вы представите галактики в виде наклеек на воздушном шарике. Если вы начнете надувать шарик, то галактики начнут разбегаться в разные стороны, причем соседствующие между собой галактики будут удаляться друг от друга с одинаковой скоростью. Именно это имеют в виду космологи, говоря о расширении Вселенной.

Таким образом, мы теперь можем ответить на вопрос, с которого началась глава: нет, мы не находимся в центре Вселенной.

Вы можете возразить, что у воздушного шарика тоже есть центр, который находится внутри него. Пожалуй, здесь аналогия рушится. Шарик – это двухмерная поверхность, существующая в трехмерном мире. Муравей, бегающий по двумерной поверхности шарика, может увидеть комнату, которая его окружает. Вселенная, в которой мы живем, имеет три пространственных измерения, и комнаты, в которую мы могли бы заглянуть, просто нет. В то же время реальная Вселенная – это четырехмерное пространство-время, также не окруженное ничем. Она растет и расширяется за счет того, что галактики в ней непрерывно отдаляются друг от друга, и все же это расширение направлено в никуда. Это и будет ответом на вопрос в начале главы.

Конечно, такую картину мира безумно сложно визуализировать. Пытаясь представить себе расширяющуюся Вселенную, куда проще думать о растянутой резиновой ленте, которая, по крайней мере, ограничена определенной длиной. Но если бы у Вселенной были границы, за ними бы обязательно что-то следовало, а это не так. В данном случае правильнее будет представить постоянно растягивающуюся резиновую ленту без каких-либо границ, чтобы галактики, отмеченные на ней, могли постоянно удаляться друг от друга.

* * *

Здесь вы могли бы спросить: а расширяются ли сами галактики внутри Вселенной? Я ответил бы встречным вопросом: а расширяемся ли мы с вами? Нет, мы с вами не расширяемся (если, конечно, не любим хорошенько поесть), потому что электромагнитные силы сдерживают наши тела в определенных границах. А что насчет Солнечной системы? Расширяется ли она? Нет, тоже не расширяется. Гравитационное воздействие со стороны Солнца не дает Солнечной системе расширяться вместе во Вселенной. Точно так же и галактики не могут расширяться, поскольку их сдерживает гравитация.

С более крупными астрономическими объектами все становится немного сложнее. Если говорить о сверхскоплениях, размер которых может достигать миллиарда световых лет, силы гравитации становится недостаточно, чтобы не позволить им расширяться вместе со Вселенной. Вообще, сверхскопления остаются наикрупнейшими конструкциями во Вселенной именно потому, что в условиях расширяющейся Вселенной любой объект крупнее сверхскопления перестает удерживать свою форму.

* * *

А теперь давайте пробежимся по этой главе в обратном порядке. Если все галактики отдаляются друг от друга, у нас есть серьезное основание полагать (но не делать преждевременного вывода), что когда-то это расширение началось. Событие, положившее начало расширению Вселенной, принято называть Большим взрывом. Этот термин был впервые предложен в 1949 году астрономом Фредом Хойлом.

Большой взрыв не был взрывом в прямом смысле этого слова, и никто бы не услышал его, даже если бы оказался в тот момент рядом. Было бы также неправильно представлять себе Большой взрыв в виде обыкновенного расширения, происходящего в уже существующем пространстве, ведь если за пределами Вселенной ничего нет, значит, ей просто некуда расширяться. Пространство-время, каким мы его знаем, появилось в момент Большого взрыва.

Наконец, мы часто слышим, что в момент Большого взрыва вся материя во Вселенной была сосредоточена в одной точке, которая и должна была быть центром, но поскольку Вселенная не имеет центра, это утверждение не может быть верным.

Резиновая лента поможет понять, что к чему. Представьте, что она уже растянута и что A, B, C и D расположились далеко друг от друга. А теперь начинайте медленно ослаблять натяжение до тех пор, пока все галактики не вернутся на свои изначальные места. Время, за которое все они это сделают, и будет являться возрастом Вселенной с момента Большого взрыва. Закон Хаббла говорит нам о том, что расстояние, проходимое каждой галактикой, выражается формулой d = v/H. Но расстояние, проходимое каждой галактикой, – это просто скорость, помноженная на время пути, что можно записать как d = vt. Получается, что vt = v/H, где t = 1/H.

Значение, обратное постоянной Хаббла, называется возрастом Хаббла и представляет собой приблизительное количество времени, прошедшее с момента Большого взрыва.

Тогда ничто не удерживало точки на месте. Более того, если мы представим себе бесконечно длинную резиновую ленту с бесконечным числом точек A, B, C и т. д. (допустим, буквы в нашем алфавите тоже не будут заканчиваться), мы неизбежно придем к выводу, что Большой взрыв охватывает собой всю одномерную поверхность резиновой ленты.

В момент Большого взрыва вся материя в обозримой Вселенной действительно была собрана в одной точке. Но обозримая Вселенная – это еще не вся Вселенная. Расстояние, пройденное светом с момента Большого взрыва, называется космологическим горизонтом, и, как можно догадаться из названия, мы не можем увидеть, что скрывается за ним. Мы лишь знаем, что в момент Большого взрыва все, что находилось в пределах этого горизонта, было собрано в одной точке.

Чтобы измерить постоянную Хаббла, астрономами было разработано множество методов куда более изощренных, чем простое измерение расстояний от одних галактик до других. Проблема заключается в том, что не все эти методы между собой согласуются. С некоторыми из них я познакомлю вас в следующих главах, а пока скажу только, что возраст Вселенной, то есть время, прошедшее с момента Большого взрыва, составляет около 14 миллиардов лет, а точнее, 13,7 миллиарда лет.

* * *

Общая теория относительности ставит своей целью описание космоса, чтобы показать, из чего он состоит и каковы принципы распределения его содержания. Уравнения теории показывают, как эволюционирует Вселенная.

Это утверждает теория относительности, но не Эйнштейн. Как было сказано ранее, сам он полагал, что Вселенная статична и не расширяется. И ему действительно удалось воспроизвести модель такой Вселенной, добавив в свои уравнения дополнительный компонент – печально известную космологическую постоянную. Этот ход был чистой воды спекуляцией, и, как только расширение Вселенной было доказано, Эйнштейн отрекся от него как от «главного заблуждения своей жизни».

С высоты современности добавление постоянной в уравнение выглядит довольно странно. Если бы ракета, начиненная фейерверками, взорвалась в открытом космосе, вырвавшееся в момент взрыва облако частиц поначалу распространялось бы с высокой скоростью, а затем, при достаточной массивности частиц, начало бы замедляться из-за гравитационного притяжения частиц со стороны друг друга. В зависимости от массы частиц облако может расширяться или сжиматься. Единственное, что оно не будет делать, – оставаться без движения.

Если, исследуя космос, мы используем уравнения общей теории относительности, не прибегая к различным математическим спекуляциям, мы убедимся в том, что он динамичен. Вселенная, без всяких лишних коэффициентов, автоматически расширяется или сжимается со скоростью, определяемой плотностью ее компонентов. Опираясь на это свойство Вселенной, общая теория относительности помогает понять, как работает гравитация. Но точно так же, как физика Ньютона ничего не говорит нам о количестве и составе фейерверков, которые нужно загрузить в ракету, теория общей относительности ничего не говорит о том, из чего состоит та или иная версия Вселенной. Как только компоненты выявлены, в игру вступает гравитация, определяющая эволюцию конкретной модели Вселенной.

Именно такую динамичную модель космоса, базирующуюся на уравнениях Эйнштейна, предложил в 1922 году русский метеоролог Александр Фридман. И поскольку сам Эйнштейн не был готов признать, что Вселенная эволюционирует, именно модель Фридмана в итоге послужила математической базой для теории Большого взрыва^[13]. Важная особенность Вселенной Фридмана заключается в том, что она настолько проста, насколько это вообще возможно для космологической модели. Согласно этой модели, все объекты внутри нашей Вселенной распределены по ней равномерно и расширяется она тоже равномерно. Другими словами, Вселенная вся целиком расширяется с одинаковой скоростью.

Главное уравнение Фридмана объясняет, в чем именно выражается зависимость коэффициента расширения Вселенной – или, как ее еще называют, постоянной Хаббла – от наполняющих ее объектов. На самом деле, постоянная Хаббла, измерением которой занимаются астрономы, как раз и представляет собой сегодняшний космологический коэффициент расширения, а значит, технически остается постоянной лишь в тот момент, когда вы это читаете. В целом по мере расширения Вселенной ее плотность снижается, и вместе с ней снижается коэффициент расширения.

Вы можете помнить из главы 3, что геометрию пространства Вселенной определяет материя. Если плотность материи во Вселенной превысит некое критическое значение, составляющее примерно 10^– 29 г/см³ (то есть 10 атомов водорода на м³), скорость расширения модели Вселенной Фридмана, как и в примере со взрывом массивной ракеты-фейерверка, постепенно опустится до нуля, а затем станет отрицательной, и в итоге Вселенная коллапсирует обратно. Такую Вселенную, геометрия которой повторяет геометрию сферического шара, принято называть замкнутой.

Если плотность объектов во Вселенной окажется ниже критического значения, ее геометрия примет вид бесконечно большого рифленого картофельного чипса, на котором близлежащие параллельные линии расходятся. Такая модель будет расширяться вечно и называется открытой.

Реальная же Вселенная, как уже было сказано в главе 3, кажется плоской и напоминает нечто среднее между открытой и замкнутой Вселенными. Если скорость расширения будет постепенно снижаться и стремиться к нулю, то Вселенную ждет медленное сползание в вечность^[14].

В то же время получается, что если в будущем скорость расширения будет опускаться до бесконечно низкого показателя, то в прошлом эта скорость была бесконечно высокой. Так и есть: к моменту Большого взрыва она действительно стремилась к бесконечности.

Такое правда возможно?

5
Розеттский камень космологии: космический радиационный фон

Открытие расширяющейся Вселенной положило начало современной космологии. Тот факт, что средняя температура в космосе на 3 °С выше абсолютного нуля, лег в основу современной теории Большого взрыва.

Как мы уже знаем, само по себе расширение Вселенной не доказывало, что космос появился в результате Большого взрыва. Ведь вполне возможно, что Вселенная всегда выглядела более или менее так, как сейчас. В подобном случае пусто́ты, образующиеся по мере удаления галактик друг от друга, должны были бы заполняться новыми, медленно образующимися галактиками. Подобный сценарий, в котором Вселенная существовала всегда, был назван теорией устойчивого состояния.

Конечно, не так-то просто представить себе такую Вселенную, но не менее трудно представить Вселенную, появившуюся из ниоткуда 14 миллиардов лет назад. Кроме того, до середины XX века ученые просто не обладали достаточным объемом экспериментальных доказательств ни в пользу теории Большого взрыва, ни в пользу «устойчивой» модели Вселенной.

Все изменилось буквально за одну ночь в 1965 году. Еще годом ранее два радиоастронома лаборатории Белла (Nokia Bell Labs) Арно Пензиас и Роберт Уилсон работали с высокочувствительной антенной по спутниковой программе «Эхо» (Echo), исследуя радиосигналы из нашей галактики. Для получения корректных результатов вычислений нужно было свести все локальные радиопомехи к минимуму, начиная от свечей зажигания на проезжающем неподалеку тракторе и заканчивая самим прибором. Устранив все возможные источники помех, включая птичий помет в антенне, Пензиас и Уилсон, к своему удивлению, обнаружили, что нежелательный сигнал, замеченный ими ранее, никуда не исчез. Этот слабый сигнал наблюдался по всему небу, причем везде он был одинаковым. Это значило, что сигнал исходит не из галактики. Пензиас позвонил Роберту Дикке, в то время занимавшему пост руководителя космологической группы в Принстонском университете, где как раз занимались поисками подобных сигналов. Выслушав его и повернувшись к своим коллегам, Джеймсу Пиблзу и Дэвиду Уилкинсону, Дикке сказал: «Нас опередили, парни».

Так Пензиас и Уилсон открыли реликтовое излучение, или космический микроволновый фон (Cosmic microwave background radiation, CMBR) – что-то вроде тепла, оставшегося после Большого взрыва. Все сторонники «устойчивой» модели Вселенной в скором времени окончательно вымерли, и теория Большого взрыва стала стандартной космологической моделью. В оставшейся части книги мы проследим за тем, как эта модель развивалась.

* * *

Что же представляет собой реликтовое излучение? Начнем с того, что все горячие тела – то есть все объекты, чья температура превышает значение абсолютного нуля, – излучают электромагнитную энергию в виде тепла. Тепло излучают не только печи и компьютеры, это также делают скалы, рыбы, вы и я. По сложившейся традиции физики называют тепловое излучение излучением абсолютного черного тела, а объекты, излучающие это тепло, абсолютно черными телами (АЧТ) – даже в том случае, если они не черные.

Основополагающее и важное свойство излучения АЧТ состоит в том, что оно ни в коей мере не зависит от состава тела, а только от его температуры. Таким образом, температура тела говорит нам о количестве испускаемого излучения, и наоборот. Когда врач направляет дистанционный термометр на ваш лоб, он измеряет именно интенсивность излучения тепла вашим телом и, следовательно, вашу температуру. По сути, Пензиас и Уилсон проделали то же самое: направили термометр на Вселенную и измерили ее температуру. Именно благодаря их стараниям мы теперь знаем, что температура во Вселенной составляет 2,7 °С выше абсолютного нуля.

Частота вещания типичной FM-радиостанции составляет около ста мегагерц, что соответствует длине волны 3 м^[15]. Горячее тело, аналогично, излучает тепло в виде волн разной длины, и количество излучения на разных волнах может заметно отличаться. Спектр излучения АЧТ – то есть количество энергии, излучаемой в виде волн разной длины, – определяется исключительно его температурой. Эта особенность делает спектр абсолютно черного тела практически универсальным. По форме он похож на график на рисунке ниже, хотя его точная форма зависит, опять же, от температуры. На графике видно, что большая часть энергии излучается на пиковой длине волны, которая при температуре черного тела 2,7 °С составляет примерно 3 см, то есть частота излучения равна 100 гигагерцам. Она соответствует микроволновому радиодиапазону – та самая M в CMBR.

Рис. 6

Интенсивность излучения – это объем энергии, проходящий через 1 см² каждую секунду. Как и интенсивность воды, бьющей из садового шланга, интенсивность излучения складывается из определенного количества частиц, проходящих сквозь 1 см² пространства за 1 секунду. Поскольку тепло по сути своей является электромагнитным излучением, а электромагнитное излучение – светом, частицами в данном случае выступают фотоны. Таким образом, сказать, что температура CMBR составляет 2,7 °С – все равно что сказать, что в каждом кубическом сантиметре межгалактического пространства в настоящее время содержится около четырехсот фотонов, оставшихся с момента Большого взрыва.

С самого своего открытия спектр CMBR измерялся много раз в ходе различных экспериментов, первый из которых воплотился в запуске спутника Cosmic Background Explorer (COBE), состоявшемся в 1989 году. Результаты эксперимента показали, что спектр CMBR совпадает со спектром абсолютного черного тела больше, чем любой другой спектр, зафиксированный когда-либо в истории цивилизации. Сегодня, в XXI веке, ни у кого не осталось сомнений, что CMBR представляет собой реликтовое излучение Большого взрыва.

* * *

Поскольку сам факт существования CMBR доказывает, что в прошлом температура Вселенной была выше, чем сейчас, его открытие стало последним гвоздем в крышке гроба сторонников стабильной Вселенной: они просто не смогли бы объяснить существование CMBR, продолжая верить, что Вселенная изначально пребывала в том же виде, в котором мы наблюдаем ее теперь.

Мы точно знаем, что температура в момент Большого взрыва была намного, намного выше, чем сейчас. Но поскольку Вселенная постоянно расширяется, плотность материи и, следовательно, излучения, производимого ею, продолжает постепенно снижаться. Это же наблюдение касается и плотности фотонов, которые раньше были значительно ближе друг к другу.

Мы также знаем, что в прошлом каждый фотон обладал большей энергией. Пока Вселенная расширяется, длина волны света, идущего из отдаленных ее областей, также растет, и он все сильнее смещается в красную часть спектра.

Это явление стало известно как космологическое красное смещение, хотя иногда его также называют космологическим допплеровским сдвигом, как это сделал я в главе 4. Покраснение света объясняется тем, что энергия фотонов постепенно снижается. Поскольку измерение температуры света – это, по сути, измерение уровня энергии фотонов, то получается, что в прошлом фотоны были горячее. Таким образом, когда Вселенная в видимых ее пределах была в два раза меньше, чем сейчас, температура в ней превышала нынешнюю в два раза.

* * *

Эти наблюдения позволили ученым сделать три важных вывода. Первый состоит в том, что в настоящее время плотность обычной материи во Вселенной составляет примерно 10^-30 г/см³, то есть приблизительно один атом водорода на 1 см³. В то же время формула E = mc² подсказывает, что четыреста фотонов в 1 см³ при температуре 3 °С создают плотность около 10^-34 г/см³. Это в десять тысяч раз меньше, чем плотность материи. Космолог, принимая во внимание и другие параметры, мог бы заявить, что в настоящий момент во Вселенной материя преобладает.

Но это не всегда было так. При движении назад, в прошлое, плотность частиц материи и фотонов будет увеличиваться с одинаковой скоростью – точно так же, как плотность мраморных шариков, помещенных под пресс. Энергия фотонов тоже будет возрастать. Значит, когда температура Вселенной была в тысячу раз выше, чем сейчас, и составляла, скажем, 30 000 °С, плотность энергии фотонов превышала плотность материи. Получается, что раньше, приблизительно в первые 50 тыс. лет после Большого взрыва, во Вселенной преобладало излучение. Другими словами, поведение Вселенной определяли свойства фотонов, а не материи (на следующей странице вы увидите, как это может выглядеть на графике). Скоро вы поймете, почему разница между Вселенной с преобладающим излучением и Вселенной с преобладающей материей столь важна.

Рис. 7

Второй важный, и, можно сказать, волнующий вывод – следствием горячей ранней Вселенной является то, что повышение температуры не прекращалось. В момент зарождения Вселенной, буквально через секунду после Большого взрыва, температура должна была находиться на уровне около 10 млрд °С, а непосредственно в момент взрыва должна была стремиться к бесконечности. В физике появление бесконечности – это, как правило, плохой знак. Как и бесконечная скорость, на которой мы остановились в 4-й главе, бесконечно высокая температура выражает собой то, что принято называть сингулярностью Большого взрыва (в последующих главах мы будем возвращаться к ней все чаще и чаще). Нужно понимать, что, если в самый начальный, нулевой момент времени сингулярность действительно имела место, это делает всю теорию Большого взрыва совершенно несостоятельной. Манипуляции с категорией бесконечности не имеют смысла, как и деление на ноль: если в решении уравнения появляется бесконечность, то оно теряет смысл. Поэтому, говоря о Вселенной, космологи ориентируются на период, последовавший сразу за сингулярностью, когда поведение Вселенной становится пусть и не совсем объяснимым, но хотя бы более-менее логичным.

* * *

Третий вывод касательно раннего, горячего периода существования Вселенной заключается в том, что CMBR появилось не в сам момент взрыва, а уже после него.

Около 3/4 массы видимой нами Вселенной – это атомы водорода – простейшего химического элемента, состоящего из протона и вращающегося вокруг него электрона. Поскольку электроны и протоны несут в себе равные и противоположные электрические заряды, атом водорода нейтрален.

Атом водорода просто не мог существовать в условиях, когда наша наблюдаемая Вселенная была как минимум в тысячи раз меньше, чем сейчас: температура в ней была слишком высока, в результате чего перегретые электроны отсоединялись бы от протонов. Другими словами, мощная энергия фотонов ионизировала бы атомы водорода, начисто вышибая из них электроны. Среду, получающуюся в результате разлучения электронов и протонов, принято называть плазмой.

Оказавшись в плазме, фотоны не могут далеко уйти, моментально сталкиваясь с электронами и рассеиваясь. Чтобы лучше представить себе этот процесс, вспомните, что происходит, если направить фонарь на плотную стену тумана: луч фонаря рассеивается во всех направлениях, и в результате вы видите лишь то, что находится рядом с вами. В похожую ловушку свет попадал и в ранней Вселенной, когда энергия фотонов ионизировала атомы водорода. Лишь когда температура опустилась приблизительно до 3000 °С, плазма охладилась достаточно, чтобы находящиеся в ней электроны прикрепились к протонам, сформировав нейтральный водород. И поскольку свет в принципе слабо взаимодействует с нейтральными атомами, начиная с этого времени (которое почему-то было названо эпохой рекомбинации, что довольно странно, поскольку никакой рекомбинации не было) свет от Большого взрыва беспрепятственно распространился по всей Вселенной.

Теперь мы знаем, что CMBR в известном нам виде родилось в эпоху рекомбинации^[16], то есть, согласно довольно точным современным подсчетам, 380 тыс. лет спустя после Большого взрыва. Поскольку до этих пор Вселенная была непроницаема для света, мы и не можем при помощи обычного света увидеть, что происходило в ней до появления космического микроволнового радиационного фона. Хорошенько запомните термин «рекомбинация».

При открытии CMBR космологов больше всего поразила его однородность: температура, или, другими словами, интенсивность излучения, во всех направлениях была абсолютно одинакова. В целом и сами галактики, если рассматривать их в достаточно крупных масштабах, распределены по Вселенной более или менее равномерно. Объединив все результаты наблюдений, мы можем прийти к тому, что принято называть космологическим принципом: космос оказывается однородным, если рассматривать его в достаточно крупном масштабе.

Однородная природа CMBR подтвердила верность космологического принципа, после чего он занял прочное место в следующей версии стандартной космологической модели – модели, согласно которой Вселенная образовалась в результате Большого взрыва, и взрыв этот был полностью однороден. Такая картина мира кажется примитивной. Тем не менее она сохраняет за собой много достоинств, главное из которых мы сейчас и обсудим.

Очевидно, что настолько простая картина не может быть полностью безошибочной, и сегодня главная деталь, на которой принято останавливаться, говоря о CMBR, состоит как раз в том, что электромагнитное волновое излучение не полностью однородно. В 1992 году спутник СОВЕ обнаружил слабые неоднородности в температуре реликтового излучения в границах небесного свода. Космологи догадывались, что они должны были существовать, иначе бы нас самих не существовало. Эти флуктуации многое рассказали ученым об истории формирования нашей галактики. Возможно, вы тоже сталкивались с картами, фиксирующими такие неоднородности, полученные со спутника COBE или его следующих модификаций. На одной из карт неба, предназначенной для широкой публики (данные были получены спутником «Планк», запущенным в 2009 году), можно увидеть колебания температур CMBR в беспрецедентном разрешении. И хотя эти колебания составляют всего лишь одну стотысячную градуса, их размер и форма стали ключом к разгадке тайны ранней Вселенной.

Почему же реликтовое излучение так для нас важно?

6
Первичный котел

Углерод, азот, кислород, кремний, железо – все эти элементы столь же привычны для нас, сколь и необходимы для нашего существования. Понимание того, что, собранные вместе, все они составляют намного меньше одного процента видимой массы Вселенной, несколько отрезвляет. Бо́льшую же ее часть, около 76 %, составляет легчайший элемент – водород, а остальные 24 % – гелий, второй по легкости элемент. Уже по этим цифрам можно судить, насколько глубоко астрономия позволяет нам проникать в суть вещей.

Одним из крупнейших прорывов XX века в области астрофизики стало понимание того, что звезды представляют собой своего рода ядерные печи, преобразующие водород в более тяжелые элементы, включая те, о которых только что было сказано. Время от времени вспышки сверхновых рассеивают их по просторам космоса, в результате чего рождаются еще более тяжелые элементы: свинец, золото, уран. В конце концов тяжелые элементы оказываются частью молодых солнечных систем, планет и нас с вами.

Все наши основные знания о составе звезд получены путем изучения их спектров излучения. Cпектр того или иного источника света представляет собой набор четких линий, соответствующих частоте, с которой химические элементы внутри этого источника излучают свет. Возьмем для примера гелий. На Земле большая часть гелия образуется в результате распада радиоактивных элементов в недрах планеты, а еще на присутствие гелия указывают спектры разных звезд. По сути, само название «гелий» происходит от греческого helios, что значит «солнце», ведь впервые этот элемент был обнаружен как раз в спектре Солнца в 1868 году. Современные наблюдения за самыми ранними звездами во Вселенной показывают, что в момент своего формирования они примерно на 24 % состояли из гелия и других легких элементов.

Поскольку ранние звезды уже на стадии образования содержали в себе большую часть гелия наряду с некоторым количеством иных легких элементов, возникает вопрос, как эти элементы образовались.

Надеясь объяснить их появление, в конце 1940-x годов физик Георгий Гамов вместе со своими коллегами предложил теорию, известную сегодня как Модель горячей Вселенной. Гамов достиг своей цели: его модель успешно объясняла обилие легких элементов, что сделало ее третьим (после открытия расширения Вселенной и CMBR) триумфом теории Большого взрыва и одним из ее главных столпов.

* * *

Сегодня теория формирования легких элементов на ранней стадии существования Вселенной известна как нуклеосинтез Большого взрыва, или первичный нуклеосинтез. Для нас она важна не только тем, что все ее тезисы прекрасно соответствуют результатам наблюдений за происходящим во Вселенной, но и тем, что само это соответствие демонстрирует, насколько успешно общая теория относительности работает вкупе с ядерной физикой. Кроме того, именно она позволяет нам ответить на вопрос, поставленный в конце предыдущей главы: почему CMBR – ключевое явление для космологии? В самом деле, еще до того, как был открыт космический микроволновый фон, Гамов и его коллеги догадались о существовании некоего источника тепла в космосе.

Котел, в котором образовывались первые элементы, – это модель Вселенной Фридмана из главы 4. Предполагается, что содержимое в нем было распределено равномерно и определяло скорость ее расширения. В самых общих чертах процесс формирования этих элементов довольно прост: возьми расширяющийся котел, добавь необходимые ингредиенты, вари.

На предыдущих страницах я пытался убедить вас, что в прошлом температура во Вселенной была выше, чем сейчас. И на самом деле: в течение нескольких минут после Большого взрыва Вселенная была достаточно раскалена, чтобы в ней начали происходить реакции ядерного синтеза, аналогичные реакциям на Солнце, которые превращали имевшиеся компоненты в гелий. Но по мере расширения Вселенной температура в ней падала, из-за чего процесс выработки гелия вскоре остановился. Как сказал сам Гамов, все произошло так быстро, что за это время вы едва бы успели сварить картошку. Так или иначе, 24 % гелия и другие известные нам химические элементы появились во Вселенной именно в этот короткий срок.

Однако предложенная выше картина все еще лишена полноты и детальности. Давайте же поговорим о деталях и постараемся отыскать в них дьявола. Для этого нам даже не придется прибегать к спекуляциям, ведь рассматриваемый нами вопрос не выходит за рамки классической физики.

Скажу честно: формально я все это время говорил о легких изотопах. Возможно, вы уже знаете: химические элементы отличаются количеством протонов в их ядре; а изотопы конкретного элемента отличаются количеством нейтронов. Обычное ядро водорода, например, состоит из одного-единственного протона, в то время как ядро дейтерия (его также называют тяжелым водородом), изотопа водорода, состоит из протона и нейтрона. Аналогичным образом обычный гелий состоит из двух протонов и двух нейтронов и называется гелий-4, тогда как гелий-3 включает в себя два протона и только один нейтрон.

А теперь представим, что наша цель – испечь в раскаленной печке столько изотопов, чтобы они стали видимыми посредством астрономических наблюдений. Сперва посмотрим на наши ингредиенты. Чтобы лишний раз не усложнять рецепт, возьмем содержимое Вселенной на раннем этапе ее существования: нейтроны, протоны и электроны, ведь именно они лежат в основе тех химических элементов, которые мы имеем сегодня. Варево будет готовиться теми самыми четырьмя сотнями фотонов, упакованными в кубический сантиметр (см. главу 5) и составляющими реликтовое излучение.

Наконец, нам потребуется еще один ингредиент: субатомная частица под названием нейтрино. Помимо фотонов, именно нейтрино являются легчайшими фундаментальными частицами. В природе они взаимодействуют с другими частицами с большим трудом. Нейтрино может преодолевать расстояния более светового года без остановки. Именно по этой причине нейтрино, оставшиеся во Вселенной с момента Большого взрыва, так долго не были обнаружены непосредственно. Все же мы знаем, что они существуют, ведь без них процесс нуклеосинтеза, равно как и получение убедительных результатов исследований были бы невозможны.

* * *

Теперь все ингредиенты собраны, а значит, самое время поговорить о температуре приготовления. Чтобы не отягощать себя лишними вопросами о сингулярности Большого взрыва (то есть о моменте, когда температура была бесконечно высокой), мы будем отталкиваться от времени, когда Вселенная уже успела образоваться. Представим себе Вселенную спустя 0,0001 секунды после Большого взрыва. С учетом того, что в настоящее время температура CMBR составляет 2,7 °С, температура Вселенной в то время должна была достигать где-то около триллиона градусов.

Такие величины могут показаться вам фантастическими, но в мире физики вообще много чего случается за 0,0001 секунды, да и температура, приближающаяся к триллиону градусов, остается хоть и с трудом, но все же представимой: при ней могут существовать обычные протоны и нейтроны, да и происходящие между ними ядерные реакции довольно привычны для физиков. Конечно, при более высоких температурах нейтроны и протоны «испарились» бы, распавшись на составные части, кварки, и ядерные реакции вообще не были бы возможны.

Что касается атомного ядра, для него один триллион градусов – неприемлемо высокая температура: протоны и нейтроны при ней по-прежнему сталкиваются, но скорость их движения так высока, что сильное взаимодействие из главы 1 просто не успевает объединить их в ядро дейтерия или гелия. Точно так же, как при температуре выше нескольких тысяч градусов атомы водорода ионизируются, распадаясь на электроны и протоны, образуя плазму, ядра атомов при температуре триллион градусов «ионизируются», распадаясь на нейтроны и протоны.

В течение секунды после Большого взрыва температура резко упала до каких-то десяти миллиардов градусов – примерно такая же температура наблюдается сейчас в центре Солнца. Такая температура уже достаточно умеренна и годится для образования ядер атомов.

Давайте предположим, что в первую секунду после Большого взрыва на каждый нейтрон приходилось по семь протонов, как изображено на рис. 8. Приблизительно еще через три минуты температура упала уже до миллиарда градусов – вполне достаточно, чтобы нейтроны (n) и протоны (p) могли объединяться в дейтерий (np). Это повлекло за собой серию ядерных реакций синтеза, весьма похожих на те, что можно наблюдать на Солнце или в экспериментальных термоядерных устройствах на Земле, в результате чего дейтерий превратился в гелий-4, то есть в обычный гелий (ppnn)^[17]. Поскольку гелий чрезвычайно стабильный элемент, реакции на этом закончились. Весь процесс занял около тысячи секунд. Пожалуй, картошку за это время вы и правда не сварите, хотя это уже зависит от размера картофелин.

Рис. 8

Сколько же гелия успело образоваться за это время? Если к третьей минуте после Большого взрыва на каждый нейтрон приходилось по семь протонов и при этом все нейтроны преобразовывались в гелий, получается, что реакции прекращались, как только все доступные нейтроны заканчивались. Как показано на картинке, в результате на каждые 12 ядер водорода (протонов) приходилось по одному ядру гелия. Но поскольку ядро гелия в четыре раза массивнее ядра водорода, на 75 % массы водорода в итоге пришлось 25 % массы гелия – то есть примерно столько же, сколько есть во Вселенной сегодня.

Весьма точные компьютерные расчеты позволяют обнаружить обильные следы дейтерия и других изотопов и показывают, как по мере снижения температуры во Вселенной образовывались самые разные легкие изотопы (см. рис. 9). Правильная оценка количества гелия во Вселенной уже может служить свидетельством серьезных теоретических достижений, хотя примечательно, что предположение обилия его и других легких изотопов тоже прекрасно согласуется с астрономическими наблюдениями. Эта близкая к чуду согласованность остается одним из самых убедительных доказательств верности теории Большого взрыва.

Рис. 9

* * *

Здесь у вас должен возникнуть вопрос: откуда вообще взялось это соотношение – один нейтрон к семи протонам. Разобраться в этом будет несложно.

Прежде всего нужно понимать, что протоны могут преобразовываться в нейтроны, и наоборот. По сути, нейтрон – это и есть протон, соединившийся с электроном. Реакцию, в ходе которой образуется нейтрон, можно записать как p+e→n+v, где v обозначает нейтрино, p – протон, e – электрон, а n – нейтрон. Реакция может происходить и в обратную сторону, то есть процесс преобразования нейтрона в протон мы запишем как n+v→p+e.

Поскольку на раннем этапе существования Вселенной слабые взаимодействия происходили мгновенно, нейтроны и протоны постоянно превращались друг в друга. Спустя 0,0001 секунды после Большого взрыва протоны преобразовывались в нейтроны в течение менее миллиардной доли секунды; но поскольку каждый нейтрон немного тяжелее протона, для его создания, согласно E = mc², требуется больше энергии. Это значит, что нейтронов всегда меньше, чем протонов; их количество прирастает в зависимости от температуры.

Представьте себе бильярдный стол с кучей шаров, носящихся по нему и сталкивающихся друг с другом. Частота столкновений шаров будет зависеть от их числа, размера и, конечно, скорости движения, но в среднем будет сохраняться определенное количество столкновений в секунду. А теперь представьте, что этот стол расширяется. Поскольку границы такого стола непрерывно отодвигаются все дальше и дальше, количество рикошетов снижается. Стол продолжает растягиваться, даже когда шары движутся навстречу друг другу, из-за чего вероятность их столкновения постоянно становится меньше. Если же стол будет расширяться слишком быстро, шары вообще перестанут сталкиваться.

В физике, как и в жизни, при смене оценочной шкалы случаются всякие отклонения от привычного хода вещей. Например, серьезные общественные проекты могут требовать десятилетий для реализации, однако в США федеральные чиновники меняются каждые четыре года: цели трансформируются, проекты закрываются, царит хаос.

На ранней стадии своего развития Вселенная напоминала тот самый расширяющийся бильярдный стол, и параметры расширения полностью определялись плотностью ее содержимого. Экстраполируя данные наблюдений за современной Вселенной на период, последовавший вскоре после Большого взрыва, можно утверждать, что Вселенная была насыщена фотонами и нейтрино. На их фоне количество нейтронов и протонов было столь незначительным, что в расширении Вселенной они не играли практически никакой роли. Выражаясь терминами из предыдущей главы, можно сказать, что во Вселенной в то время преобладало излучение.

На 0,0001 секунды после Большого взрыва нейтроны и протоны, под действием силы слабого взаимодействия, превращались друг в друга в миллион раз быстрее, чем расширялась Вселенная. По сравнению с ними Вселенная просто стояла на месте.

Так продолжалось недолго. Как только температура упала, слабое взаимодействие резко замедлилось, и уже в первую секунду после Большого взрыва частота взаимодействий стала намного ниже скорости расширения Вселенной. Нейтрино перестали сталкиваться с нейтронами и протонами, реакции во Вселенной, подобные столкновениям шаров на бильярдном столе, прекратились. Мы уже близки к ответу на наш первоначальный вопрос: соотношение 1:7 – это приблизительное соотношение количества нейтронов к протонам непосредственно в момент «заморозки», когда они прекратили сталкиваться с нейтрино.

В последующие три минуты, предшествовавшие нуклеосинтезу, количество протонов и нейтронов почти не менялось^[18]. Что было дальше, вы уже знаете: ядерные реакции синтеза превращали нейтроны и протоны в гелий; в конце концов нейтроны закончились, а общий объем гелия составил 24 %.

Имейте в виду, что все это касается исключительно ядер атомов. Сами же атомы появились лишь в эпоху рекомбинации, то есть 380 тыс. лет спустя, когда температура опустилась достаточно низко, чтобы электроны могли прикрепиться к ядрам.

Тот факт, что итоговый объем гелия почти полностью зависит от отношения количества нейтронов к количеству протонов на стадии «заморозки», позволил космологам в 1980-х годах установить общее число типов нейтрино еще до того, как это было сделано в ходе лабораторных исследований. На данный момент нам известно о существовании трех типов нейтрино, обладающих разными, как принято называть их свойства, «ароматами». Пока мы не можем утверждать, что есть еще какие-то типы нейтрино. Существование нейтрино с иными «ароматами» свидетельствовало бы о том, что реальный коэффициент расширения Вселенной в период нуклеосинтеза должен был бы быть выше, чем мы думали. А поскольку в таком случае он бы вызвал снижение частоты слабых взаимодействий раньше (при более высоких температурах и большем количестве нейтронов), дополнительные «ароматы» у нейтрино породили бы большее количество гелия. Ограничение количества гелия 24 % исключает возможность существования иных «ароматов», что впоследствии было доказано экспериментально в адронных коллайдерах.

* * *

Пожалуй, самым удивительным в гипотезе нуклеосинтеза (за исключением того, что он вообще существует) является то, что в этой модели нет никаких допущений. Обстоятельства, сложившиеся во Вселенной спустя 0,0001 секунды после Большого взрыва, не выходят за рамки классической физики, а реакции неоднократно повторялись в лабораторных условиях. Единственным потенциально изменчивым показателем в данном случае остается плотность нейтронов и протонов в сегодняшней Вселенной, ее определила плотность частиц в период нуклеосинтеза. Поскольку же нейтроны и протоны обобщенно называются барионами (термин для обозначения тяжелых частиц), среди космологов принято говорить о плотности барионов.

Когда речь заходит о статистике летальных исходов вследствие какого-либо заболевания, количество смертей оказывается намного более информативным показателем, если оно выражено в доле населения. В физике исходные данные могут быть записаны в виде отношения количества фотонов к количеству барионов, составляющего приблизительно 10⁹ к одному. Другими словами, в нашей Вселенной на каждый барион приходится около миллиарда фотонов. Несмотря на то что величина 10⁹ показывает прекрасные результаты при расчетах, связанных с нуклеосинтезом, мы пока не можем сказать, почему на этом месте не стоит 1 или, например, 618. Вполне возможно, что это число – просто данность, характерная для Вселенной с момента ее зарождения, но физики с присущим им скептицизмом считают ситуацию примером концепции тонкой настройки, то есть корректировки параметров модели таким образом, чтобы она соответствовала именно нашей реальности. Чтобы как-то объяснить 10⁹, они стараются отыскать естественный механизм появления этого числа.

Было бы вполне «естественно», если бы Вселенная возникла с одинаковым количеством материи и антиматерии, ведь нет никаких фундаментальных причин, по которым оно должно различаться. Тем не менее наша Вселенная почти полностью состоит из того, что сегодня принято называть материей^[19]. В 1967 году физик Андрей Сахаров предположил, что этот количественный разрыв возник уже в процессе Большого взрыва. Он был незначительным: примерно миллиард частиц антиматерии на миллиард и одну частицу материи. Поклонники сериала «Звездный путь» наверняка знают, что при контакте материи и антиматерии происходит аннигиляция, порождающая два фотона. Именно благодаря ей мы теперь живем в левосторонней Вселенной, где на каждый барион приходится несколько миллиардов фотонов. Но подобное объяснение лишь порождает новый вопрос: чем определяется масштаб дисбаланса материи и антиматерии?

Хотя Сахаров и определил условия, при которых данное расхождение должно было возникнуть, ему так и не удалось убедительно объяснить, что стоит за соотношением фотонов и барионов. Над решением этой проблемы физики работают до сих пор.

В целом мы не можем объяснить, как сформировались существующие законы физики. Успех астрофизики служит убедительным доказательством того, что законы, касающиеся импульса, сохранения энергии и прочих явлений, одинаковы во всей Вселенной; в то же время успех, с которым космологи описали такие процессы, как первичный нуклеосинтез, доказывает, что с момента Большого взрыва естественные законы существенно не менялись.

Фундаментальная теорема, предложенная математиком Эмми Нётер, говорит нам о том, что, если система не претерпевает изменений с течением времени и если она находится в однородном пространстве, ее импульс (то есть масса, умноженная на скорость) также сохраняется. Но это не объясняет, среди прочего, то, как пространство стало однородным. Также возникает вопрос, можно ли применять обычные законы физики (мы сделаем это в главе 11) для моделирования Вселенной на самом раннем этапе ее формирования – то есть в тот момент, когда она еще не была однородной. Более того, когда мы утверждаем, что энергия не может ни возникать ниоткуда, ни исчезать никуда, мы имеем в виду энергию в таких закрытых, окончательных системах, как, например, торт в закрытой коробке. Конечно, торт теоретически может начать превращаться в энергию, и масса его начнет уменьшаться, но этот пример не совсем годится, когда мы говорим о сохранении энергии во Вселенной, особенно с учетом того, что она бесконечна, плохо изучена и в целом не очень понятна.

Можем ли мы избежать тонкой настройки космоса?

7
Темная Вселенная

Как правило, после лекций мало кто задает вопросы о первичном нуклеосинтезе. Впрочем, космологов довольно часто спрашивают: «Вы можете объяснить, что такое темная материя?» Ответ в таком случае должен быть однозначным: «Нет».

Здесь глава могла бы закончиться.

И все же мы попробуем немного углубиться в вопрос. Следуя одному из выдуманных заветов Эйнштейна, физики стараются «упрощать все настолько, насколько возможно, но не более»; их задача – понять природу и как можно проще объяснить наблюдаемые явления. Но природа не так проста, как кажется. Чем дольше мы наблюдаем то или иное явление, тем более комплексным оно оказывается, а это значит, что для его объяснения нам требуются все более изощренные модели и теории. Физики же, в отличие, к примеру, от экономистов, не любят лишний раз усложнять картину происходящего.

После того как в 1965 году получила признание теория Большого взрыва, модель однородной Вселенной Фридмана стала стандартной космологической моделью. Однако после того, как спутник COBE обнаружил пульсации в космическом микроволновом фоне, стандартная модель Вселенной снова была пересмотрена – на этот раз с учетом галактик, а также их скоплений и сверхскоплений, существование которых на тот момент уже было бесспорно.

Прежде чем критиковать новую стандартную модель Вселенной (мы займемся этим в главах 9 и 10), давайте сперва разберемся с явлениями, которые лежат в ее основе, – темной материей и темной энергией. Учитывая, что каждую неделю наше представление о них кардинально меняется, к соответствующей информации следует относиться с осторожностью: читая в New York Times новость о каком-то открытии, не спешите верить ей, пока не услышите мнение реальных экспертов.

* * *

Спутники вращаются вокруг Земли потому, что гравитация искривляет их траектории и превращает в замкнутое кольцо, препятствуя их естественному стремлению лететь по инерции вглубь космоса. А поскольку сила гравитации, которой подчиняется спутник, зависит от массы Земли, от нее также зависит и скорость движения спутника по орбите. Получается, что чем выше скорость спутника, тем больше должна быть масса Земли, чтобы удержать его на орбите. Тот же принцип применим и к планетам – спутникам Солнца, а также к звездам, движущимся по орбите вокруг центра галактики.

На протяжении последних 150 лет вопрос о существовании невидимой материи поднимался несколько раз. В 1930-х годах астроном Фриц Цвикки заметил, что скорости, с которыми галактики движутся внутри скоплений, слишком высоки, чтобы объяснить их суммарной массой, испускающей свет, то есть массой звезд внутри скоплений. Пытаясь объяснить эти скорости, он и пришел к мысли о существовании темной материи. В настоящее время темная материя рассматривается именно как материя, не излучающая свет. Следующие 40 лет к догадкам Цвикки никто не относился серьезно. Ситуация изменилась, когда Вера Рубин заметила, что не только внутри скоплений, но и на границах самих галактик скорости движения звезд слишком велики, чтобы объяснить их воздействием светящейся материи внутри этих галактик. По идее, звезды, расположенные на границе галактики, должны были бы срываться с орбиты и улетать в межгалактическое пространство.

Вычисления, приведенные Рубин и ее командой, были весьма однозначны. С учетом допплеровского сдвига довольно просто измерить скорость движения звезд, вращающихся вокруг центров галактик. В настоящее время подобные измерения проведены уже в тысячах галактик и скоплений, причем результаты всех измерений подталкивают нас к одному и тому же выводу: большая часть материи внутри галактик невидима. Более того, около 85 % материи во Вселенной составляет именно темная материя.

Это железная истина, а потому вопрос, что же такое темная материя, вполне закономерен. Но не менее закономерен и единственно правильный ответ: мы не знаем. Возможно, менеджер по продажам или политик ответят вам как-то иначе, но ученый скажет именно так.

Любое тело, не источающее свет, предположительно может являться темной материей. Кандидатов на эту роль так много, что маленькой книжки вроде этой просто не хватит, чтобы рассказать обо всех (на самом деле мы не сможем обсудить даже нескольких, ведь все возможные кандидатуры были просто отсеяны).

* * *

Естественными претендентами на роль темной материи выступают черные дыры и их близкие родственники – нейтронные звезды: и те и другие по определению не могут являться источниками света. Пожалуй, к ним также можно добавить так называемых коричневых карликов. Это своего рода несостоявшиеся звезды, масса которых в несколько десятков раз превышает массу Юпитера. Коричневые карлики испускают тусклый свет, поскольку их масса все-таки недостаточна для запуска термоядерной реакции. Сам Юпитер, точнее, множество Юпитеров могут служить кандидатами на роль темной материи. Астрономы дали таким телам собирательное название массивных астрофизических компактных гало-объектов (Massive Astrophysical Compact Halo Objects, MACHOs). К сожалению, практически всем им было отказано в звании темной материи – и на то были веские причины.

Как уже было сказано в главе 3, общая теория относительности требует, чтобы массивные тела отражали свет. Это значит, что свет, огибающий звезду, черную дыру или галактику, будет отклоняться от своего первоначального пути, – это похоже на преломление света, проходящего через стеклянную линзу. В результате гравитационного линзирования изображение астрономического объекта, расположенного по ту сторону гравитационной линзы, искажается, объект кажется изменившим положение. В настоящее время гравитационное линзирование является хорошо изученным феноменом: оно позволило телескопу «Хаббл» и другим современным телескопам сделать множество впечатляющих снимков.

Поскольку Млечный Путь непрерывно вращается, гало-объекты на границах галактики вращаются вместе с ним. Если свет, исходящий из какого-либо источника вне галактики, вроде чрезвычайно яркой звезды, будет проходить поблизости от гало-объекта (который в данном случае будет выполнять функцию гравитационной линзы), со стороны, по идее, наблюдатель увидит легкое подрагивание источающей свет звезды по мере того, как находящийся перед ней гало-объект будет смещаться. Тем не менее в ходе статистических исследований множества звезд Млечного Пути и Магеллановых Облаков ученым так и не удалось найти убедительных доказательств гравитационного линзирования со стороны объектов гало.

Более конкретная причина, по которой гало-объекты не могут считаться темной материей, – первичный нуклеосинтез. Чем бы на самом деле ни являлись гало-объекты, они состоят из обычной, или барионной, материи, которая, вероятно, существовала еще в период нуклеосинтеза. Увеличение плотности барионов должно было привести к увеличению количества ядерных реакций, а поскольку именно ядерные реакции были ответственны за выработку гелия в период нуклеосинтеза, его объемы также должны были бы стать больше. В то же время количество гелия, наблюдаемое астрономами, было произведено при плотности барионов, соответствующей количеству светящейся материи во Вселенной. Если темной материи во Вселенной действительно в 5 или 6 раз больше, чем обычной, она просто не может состоять из барионов, ведь гелия, появившегося в результате Большого взрыва, в таком случае должно было быть намного меньше. Это прекрасный пример, как различные аспекты научной теории подкрепляют друг друга.

Кроме того, детальный анализ пульсаций реликтового излучения, CMBR (мы рассмотрим его в главе 10), требует, чтобы соотношение темной материи и барионов сохранялось тем же, что в период нуклеосинтеза. Из чего бы ни состояла темная материя на самом деле, это точно не то, из чего сделаны мы.

* * *

Следующим кандидатом, очевидно, становится нейтрино. Фотоны, являющиеся частицами света, участвуют в электромагнитных взаимодействиях. Нейтрино же возникают при слабом ядерном взаимодействии и не являются частицами света. К тому же они очень легкие. Более полувека физики думали, что нейтрино, как и фотоны, вообще не имеют никакой массы. Это заблуждение и подтолкнуло их к мысли о том, что нейтрино является частью темной материи.

Начиная с 1998 года это мнение становилось все менее популярным. Эксперименты, проведенные в японской нейтринной обсерватории Super Kamiokande, показали, что три аромата нейтрино (мы уже говорили о них в главе 6) превращаются один в другой во время осцилляций^[20]. Эти осцилляции похожи на звуки, которые вы слышите, когда ударяете по клавишам на слегка расстроенном пианино. Точно так же, как частота акустических биений представляет собой разницу между частотой отдельных звуков, так и частота осцилляций нейтрино зависит от разницы между массами нейтрино разных ароматов. Если массы равны нулю, колебаний не возникает.

Поскольку осцилляции нейтрино не выдумка, мы точно можем сказать, что у нейтрино есть определенная масса. К сожалению, нейтрино – весьма пугливые частицы, и вычисление их массы уже несколько десятилетий остается предметом головной боли для физиков-экспериментаторов. Эксперименты, проводимые с осцилляциями, показывают, что нейтрино свойственно крохотное расхождение в массе, а это значит, что и сама масса должна быть крохотной. В то же время эксперименты, направленные непосредственно на вычисление массы, свидетельствуют о том, что масса нейтрино должна быть как минимум в полмиллиона раз меньше массы электрона, являющегося мельчайшей из известных частиц. Получается, что максимальная масса нейтрино должна быть как минимум в миллиард раз меньше массы протона и нейтрона. Согласно же измерениям колебаний CMBR, проведенным при помощи спутника «Планк», масса нейтрино должна быть еще меньше.

Так или иначе, все измерения в один голос твердят, что масса нейтрино, даже в самых оптимистичных сценариях, должна быть невообразимо мала. Вспомним теперь, что на каждый барион приходится около миллиарда фотонов. А поскольку количество нейтрино численно превосходит количество барионов примерно на столько же (похоже, что на чуть меньше, чем столько же), мы можем сказать, что общая масса нейтрино должна бы составлять некую долю от массы барионов, при этом размер доли зависит от точной массы нейтрино. Сейчас, в 2020-х, довольно трудно быть хоть в чем-то уверенным, и все же нейтрино вряд ли могут составлять значительный процент от общего объема темной материи.

Но в физике всегда есть какое-нибудь «но». В данном случае это возможность существования четвертой разновидности нейтрино, не мутирующей в одну из трех других разновидностей и обладающей бо́льшей массой. Такое нейтрино принято называть стерильным. Но поскольку существование стерильных нейтрино пока не доказано, давайте отпустим их с миром.

* * *

Главным кандидатом на роль темной материи в течение нескольких десятилетий оставались не гало-объекты, а слабо взаимодействующие массивные частицы (Weakly Interacting Massive Particles, WIMP). Как и в случае нейтрино, они не взаимодействуют посредством электромагнетизма. Другими словами, они не испускают и не поглощают свет, а значит, имеют шансы оказаться темной материей. Предположительно они обладают большой массой, составляющей приблизительно от десяти до тысячи масс нейтрона или протона, благодаря чему могут взаимодействовать с обычной материей через гравитацию или прямые столкновения.

Единственная проблема, мешающая назвать WIMP темной материей, состоит в том, что на данный момент их существование остается гипотетическим. Поиск слабо взаимодействующих массивных частиц продолжается уже более двадцати лет. Как правило, детектор WIMP состоит из охлажденного в криогенной камере баллона с аргоном или ксеноном внутри. По идее, WIMP должен столкнуться с атомом ксенона и вызвать минутную вспышку света, которая будет зафиксирована сенсорами вокруг баллона. С таким подходом связаны две сложности. Во-первых, WIMP не единственная частица, которая может столкнуться с детектором – с тем же успехом это может быть космическое излучение или частицы распада, оставшиеся от радиоактивных элементов. Чтобы исключить возможность «ложных срабатываний», детекторы WIMP всегда размещают глубоко под землей (как правило, на старых рудниках), таким образом ограждая их от присутствия нежелательного фона. Вторая сложность: никто на самом деле не знает, что именно ищут эти детекторы, из-за чего становится трудно понять, как правильно организовать эксперимент.

До сих пор охота за WIMP не увенчалась успехом. Тем не менее в 2020 году команда ученых, отвечающая за работу детектора XENON1T в Италии, поделилась шокирующей новостью: им удалось засечь аксион.

Многие считают аксионы последней надеждой на существование темной материи. Аксион был открыт в 1970-х физиками, специализировавшимися на исследованиях элементарных частиц, а свое название получил в честь стирального порошка. Его существование должно было объяснить неоднозначные аспекты сильного ядерного взаимодействия – а главное, ответить на вопрос, почему нейтрон однородно нейтрален, несмотря на то что его составные частицы, кварки, заряжены. Считается, что аксион – экстремально легкая частица с массой даже меньше, чем у нейтрино, хотя некоторые сценарии развития ранней Вселенной предполагают, что образовавшихся в тот период аксионов было бы вполне достаточно, чтобы в итоге создать необходимое количество темной материи. Эти сценарии пока носят очень умозрительный характер, и поскольку все, что я мог бы сообщить о них, с большой вероятностью может оказаться неправдой, давайте просто оставим их в покое.

* * *

При таком количестве неудач и неподтвержденных догадок было бы странно не мечтать о какой-нибудь альтернативной теории, исключающей необходимость существования темной материи. Не сомневайтесь: не меньше дюжины космологов вообще отвергают идею темной материи, настаивая на том, что закон всемирного тяготения Ньютона должен быть изменен. На границах галактик гравитация кажется слишком слабой, чтобы удерживать звезды на орбитах. Никто пока не проверял, как действует на таких расстояниях ньютоновский закон тяготения, так почему бы не предположить, что он там помощнее? Подобная гипотеза сегодня известна как МОНД, или модифицированная ньютоновская динамика (MOND, Modified Newtonian Dynamics).

Если мы хотим переписать закон всемирного тяготения Ньютона в соответствии с поведением звезд в отдаленных частях галактики, то нам придется ввести в теорию некое определенное расстояние, за пределами которого гравитация становится сильнее, чем считал Ньютон. Это будет равнозначно введению в уравнения новой константы – постоянной величины, такой же как скорость света или масса электрона, а с подобными новшествами физики мирятся с большой неохотой. Кроме того, поскольку закон Ньютона служит постоянным ограничителем общей теории относительности, любая теория МОНД потребует модификаций и самой теории относительности. Попытки таких изменений уже были предприняты, но на данный момент все они плохо согласуются с наблюдениями. В целом нужно признать, что большинство космологов смотрят на МОНД с еще большим скепсисом, чем на темную материю.

* * *

Возможно, вы думаете, что эта глава посвящена скорее частицам, чем космологии. Но в этом и смысл! Научно доказано, что Вселенная служит местом воплощения удивительных явлений, а значит, сегодня мы больше не можем говорить о космологии, закрыв глаза на физику элементарных частиц. Общая теория относительности, ядерная физика, физика элементарных частиц и другие важные дисциплины сплелись воедино, чтобы создать образ Вселенной в известном нам виде, и теперь мы не можем больше игнорировать сложные связи ее составляющих. Нужно понимать, что любое нововведение в мире физики будет оспаривать предшествующие ему 400 лет экспериментов и наблюдений, а природа неизбежно окажется умнее нас с вами.

А что насчет темной энергии? Думаете, я про нее забыл?

8
Еще более темная Вселенная

Нет, я прекрасно помню о темной энергии. Одна уже мысль о том, что материя, из которой мы состоим, является частичкой материи, из которой состоит наша Вселенная, действует отрезвляюще – но еще больше отрезвляет понимание, что большая часть этой Вселенной может вообще не состоять из материи. В последние 20 лет большинство астрономов сошлись на том, что основная часть Вселенной состоит из темной энергии. Это условный термин: на самом деле мы понятия не имеем, что темная энергия собой представляет. Мы только знаем, что она не является материей и составляет около 70 % энергии всей Вселенной.

Пожалуй, на этом главу можно было бы и закончить. Но почему все-таки большинство космологов верят в существование темной энергии? Дело в том, что закон Хаббла, описанный в главе 4, – это обман. Возможно, вы помните, что на графике удаления галактик, демонстрирующем закон Хаббла, соотношение скорость-расстояние изображено в виде прямой линии. Проблема заключается в том, что такое изображение было бы правдоподобно лишь в том случае, если бы с момента Большого взрыва скорость расширения Вселенной оставалась неизменной. Тогда постоянную Хаббла, H, действительно можно было бы назвать постоянной, а закон Хаббла выглядел бы как v = Hd.

С другой стороны, наивно было бы полагать, что гравитационное воздействие, которое оказывают друг на друга галактики, могло бы замедлить расширение Вселенной. В таком случае наиболее отдаленные галактики, свет которых достигал нашей галактики еще в ранней Вселенной, должны были бы удаляться от нас быстрее, чем того требует закон Хаббла. Все это подводит нас к выводу, что реальная картина разбегания галактик больше соответствует зависимости, характерной для замедляющейся Вселенной, изображенной на рис. 10.

Рис. 10

В 1998 году космологическое сообщество было, мягко говоря, шокировано, когда две исследовательские группы Supernova Cosmology Project и High-Z Supernova Search Team независимо друг от друга сообщили, что процесс расширения Вселенной не замедляется, а, наоборот, ускоряется. Оказалось, так и есть. Поначалу космологи были уверены, что, как и большинство других неправдоподобных результатов, полученных в процессе физических исследований, эти результаты не подтвердятся, но явное намерение обеих групп отстаивать свою правоту до последней капли крови внушало определенное доверие. С тех пор эти результаты выдержали проверку временем.

Теоретически то, что сделали обе команды, было довольно просто: как и Хаббл, они построили график соотношения скорость-расстояние для множества галактик, а затем начали искать отклонения от прямой линии. Как и на графике, такие отклонения незаметны на коротких расстояниях, поэтому командам пришлось измерять галактические расстояния, пролегающие через значительную часть обозримой Вселенной.

Произвести корректные измерения столь значительных расстояний помогло внедрение понятия стандартной свечи. Вы наверняка замечали, что свет лампочки тускнеет по мере того, как она от нас отдаляется. Говоря точнее, видимая яркость лампочки уменьшается пропорционально квадрату расстояния, отделяющего ее от нас: если расстояние увеличится в 2 раза, яркость уменьшится в 4; если расстояние увеличится в 4 раза, яркость уменьшится в 16 раз, и так далее.

Если же перед нами поставить две лампочки, одна из которых будет в 4 раза тусклее другой, мы столкнемся с дилеммой: либо нам придется признать, что эти лампочки различаются по мощности (25 и 100 ватт), либо мы скажем, что одна из них в 2 раза дальше от нас, чем другая. Более того, если нам будет известна мощность обеих лампочек (допустим, 100 ватт), мы сможем точно сказать, сколько энергии они вырабатывают. И наоборот: если мы будем знать, сколько энергии, производимой лампочкой, в итоге доходит до нас (то есть ее видимую яркость), мы сможем сказать, как далеко от нас она расположена.

Стандартная свеча как раз и представляет собой лампочку с известной нам мощностью. В рамках проектов, о которых было сказано выше, в качестве стандартной свечи выступала сверхновая типа 1a. Сверхновая типа 1а образуется, когда белый карлик, поглотив всю материю своего компаньона, коллапсирует, выделяя огромное количество энергии. Эти звезды производят в миллиарды раз больше света, чем наше Солнце, при этом одна такая звезда может на несколько дней затмить все остальные в своей родной галактике, так что увидеть ее становится возможным из любой точки Вселенной.

Исследуя множество разновидностей сверхновых типа 1а, астрономы убедились, что, даже если звезды этого типа и не соответствуют идеально роли стандартной свечи, полученные данные всегда можно скорректировать доступным образом. График Хаббла, построенный на основе полученных результатов, показал, что Вселенная расширяется все быстрее.

* * *

Ускорение подразумевает существование некой силы, заставляющей галактики отдаляться друг от друга. Частенько эту загадочную силу называют антигравитацией, но это не очень помогает понять ее природу. Какова бы она ни была, она точно не ведет себя как гравитация наоборот. Некоторое время ее также было принято называть квинтэссенцией (то есть пятой эссенцией) Аристотеля, что является не более чем элегантным способом скрыть невежество. Не так давно ее стали называть темной энергией. Этот термин тоже мало что объясняет. Просто постарайтесь не путать ее с темной материей из предыдущей главы. Напрямую они никак не связаны: по сути, одно является материей, а другое, соответственно, энергией.

Что действительно напоминает темная энергия, так это космологическую постоянную Эйнштейна, о которой мы говорили в главе 4. Эта постоянная – просто коэффициент, добавленный Эйнштейном в уравнение гравитационного поля, чтобы получить статичную Вселенную. Поскольку космологическую постоянную он обозначал греческой буквой Λ (лямбда), современные космологи в своих уравнениях обозначают темную материю «лямбдой». В отличие от гравитации, космологическая постоянная действительно является постоянной, а значит, не меняется по мере расширения Вселенной. Темная энергия Λ распирает Вселенную изнутри, заставляя ее расширяться все быстрее и быстрее, а сторонники статичной Вселенной это предположение игнорируют.

Мы не знаем, как возникла космологическая постоянная. Основная гипотеза состоит в том, что она характеризует энергию вакуума, оставшуюся в пространстве-времени после Большого взрыва. Квантовая механика говорит нам, что вакуум в пространстве не является пустотой и может быть изображен как кипящее море энергии. В представлении физиков, это море энергии похоже на поле с маленькими, колеблющимися пружинами в виде фотонов, нейтрино и прочих частиц. Возможно, вы слышали об известном принципе неопределенности Гейзенберга. Этот принцип является законом природы и предполагает, что невозможно точно определить одновременно и положение, и скорость частицы, то есть нашей воображаемой пружины, только что-то одно. Энергия пружины зависит от ее сжатия и частоты осцилляций. Гейзенберг показал, что оба значения не могут одновременно равняться нулю, поэтому эти пружинки в вакууме всегда сохраняют в себе некую энергию.

Проблема заключается в том, что если мы посчитаем совокупную энергию осцилляций в нулевой момент, то есть в момент образования Вселенной, окажется, что их запас энергии в тот момент как минимум на 120 порядков превышал величину темной энергии сегодня. Энергия этих осцилляций неизменна, поэтому ее значение по-прежнему соотносится с темной энергией как 120 к 1. Это явление известно как проблема космологической константы.

Здесь перед космологом встает выбор: либо признать, что Λ не является результатом квантовых флуктуаций (а значит, также признать, что причина ее возникновения неведома), либо разработать механизм, позволяющий снизить Λ до нынешнего значения, которое в 15 раз больше плотности материи во Вселенной. Конечно, если бы Λ была в 10¹²⁰ раз больше, чем сейчас, Вселенной в известном нам виде уже просто бы не существовало: из-за высокой скорости расширения не успевали бы формироваться галактики, и нуклеосинтез не был бы возможен.

Таким образом, если мы согласимся, что изначально размер космологической постоянной был действительно так велик, как мы думаем, нам придется найти механизм, который мог бы его уменьшить – и уменьшить быстро. Попытки сделать это продолжаются, но договориться о каком-либо едином мнении пока не выходит.

Как обычно, есть и третий путь. Не так давно ряд космологов оспорили практику рассмотрения сверхновой типа 1а в качестве стандартной свечи. Свою позицию они объяснили тем, что данные наблюдений не являются корректными, а темной энергии вообще не существует (похожим образом в 2011 году было анонсировано открытие нейтрино, чья скорость превышала скорость света, но вскоре оказалось, что в оборудовании были неполадки с соединением). Подобный аргумент стал бы весьма элегантным решением проблемы. У космологов есть и другие причины сомневаться в существовании темной энергии, но на данный момент они не так популярны. В надежде, что эта книга будет оставаться актуальной хоть чуточку дольше, чем будут сохнуть чернила на ее страницах, я воздержусь от участия в этой дискуссии.

На самом деле у нас есть еще как минимум один выход. Если бы космологическая постоянная была так велика, что галактики не могли бы формироваться, жизнь во Вселенной почти наверняка была бы невозможна. Сам факт, что вопрос задает человек, уже говорит в пользу того, что космологическая постоянная невелика. Это прекрасный пример антропного мышления, к которому мы еще вернемся в главе 15.

* * *

Вы могли заметить, что проблема космологической постоянной напоминает другую – загадочное соотношение фотонов к барионам, о котором мы говорили в главе 6. Обе они сводятся к тому, чтобы объяснить величину, не имеющую причин быть такой, какая она есть. Вы также могли подумать, что подобные головоломки имеют другую природу, нежели, например, определение величины постоянной Хаббла, ведь последнее зависит исключительно от наблюдений.

Это правда. Проблема соотношения фотонов к барионам, равно как и проблема космологической постоянной, скорее ставят вопрос почему, а не как, хотя принято считать, что наука отвечает именно на вопрос как. Все же в течение прошлого века, по мере того как пропасть между наблюдением и теорией продолжала расти, акцент в теоретической физике сместился в сторону почему.

Вопрос почему неразрывно связан с тем, что физики называют безразмерными величинами. Как было кратко замечено в главе 6, любое количество всегда лучше выражать в соотношении. Новость о том, что на последних президентских выборах кандидат одержал победу с отрывом в 9 870 325 голосов, не имеет почти никакого смысла. Но стоит вам узнать, что 9 870 325 – это 87 % всех избирательных бюллетеней, и вы сразу же захотите оспорить результаты голосования.

Безразмерная величина – это отношение двух числовых характеристик, в котором единицы измерения одинаковы и нивелируются и остается только число, выражающее соотношение показателей друг к другу.

Плотность свинца равна приблизительно 11 г/ см³, или 0,4 фунт/дюйм³. Эти числа кажутся очень разными и сами по себе говорят нам не так уж много. В то же время плотность свинца – измеренная хоть в английских фунтах, хоть в системе потжеби^[21] – приблизительно в 11 раз превышает плотность воды. Это безразмерная величина, позволяющая сравнивать яблоки с яблоками, а блины с блинами.

Соотношение количества фотонов к количеству барионов, составляющее миллиард к одному, как и космологическая постоянная, чье значение превышает количество темной энергии во Вселенной на 120 порядков, – это безразмерные величины. Чтобы обозначить, что электростатическая сила, действующая между двумя протонами, в 10³⁶ раз больше, чем гравитационная сила между теми двумя протонами, нужно использовать безразмерное число.

Но на вопрос, почему эти числа имеют ту величину, которую имеют, ответить можно пока только: потому что так получилось. Не стесняйтесь говорить именно так. С другой стороны, физики полагают, что все безразмерные величины должны быть примерно одинаковы и предпочтительно равны 1. Если одно из чисел на порядок больше или меньше всех остальных, работа с ними превращается в пример тонкой настройки Вселенной. Лучше избегать этого и стараться найти причину, по которой безразмерные величины являются такими, какими являются.

В истории физики почему достаточно часто перерастает в как, а учитывая, что многие космологи считают космологическую постоянную важнейшей загадкой своей дисциплины, к этому нужно относиться серьезно.

Являются ли проблемы тонкой настройки Вселенной реальными или философскими?

9
Галактики существуют – и мы тоже

Перейдем к другим вопросам, требующим нашего безотлагательного внимания. В соответствии с космологическим принципом, описанным в главе 5, Вселенная должна быть однородной, когда ее рассматривают в достаточно крупных масштабах. В данном случае «достаточно крупных» – осознанно и к месту расплывчатая формулировка, но для простоты (а может, даже из философских соображений) большинство космологов XX века в своих вычислениях предполагали, что Вселенная однородна независимо от масштабов (классическим примером могут служить вычисления, связанные с первичным нуклеосинтезом). Тем не менее Вселенная не однородна. В масштабах любого уровня. Возможно, вы уже сталкивались с компьютерными симуляциями крупномасштабной структуры Вселенной вроде той, что видите на рис. 11, – с длинными нитями, напоминающими то ли внутреннюю часть легкого, то ли одну из картин Джексона Поллока.

Рис. 11

Нити, изображенные на картинке, – это сверхскопления галактик, являющиеся крупнейшими структурами во Вселенной. Каждый из них может вмещать в себя сотни тысяч галактик и растягиваться в пространстве-времени на сотни миллионов галактических лет. Млечный Путь на их фоне так мал, что в этом скоплении нитей его было бы просто невозможно заметить.

Ни одно математическое рассуждение не может подтвердить, что галактические скопления расположены во Вселенной случайным образом. Это неизбежно влечет за собой вопрос: как же тогда возникла крупномасштабная структура Вселенной? Если бы космологический принцип был до конца верен, ни сети на картинке, ни нас с вами просто бы не было. Если мы согласимся с тем, что наша Вселенная сегодня неоднородна, нам также придется признать, что однородный Большой взрыв породил Вселенную, которая в самом начале была однородной, но очень быстро перестала быть таковой. Еще важнее, что при таком сценарии стандартная модель должна превратиться в ту, где обычная материя и излучение уступают место темной материи и темной энергии.

* * *

Пожалуй, главной задачей космологии на протяжении последних четырех десятилетий было понять крупномасштабное устройство Вселенной. Ключом к этому пониманию стало CMBR – реликтовое излучение. Несмотря на то что с тех пор, как его открыли, CMBR еще три десятилетия продолжало считаться полностью однородным, космологи понимали, что галактики в известном нам виде должны были начать формироваться в то же время, когда возник наблюдаемый нами космический микроволновый фон, то есть спустя 380 тыс. лет после Большого взрыва. Таким образом, этот фон должен был бы нести в себе слабые отпечатки возникновения галактик.

Когда в 1992 году спутнику COBE все-таки удалось обнаружить эти следы, ажиотаж начался не только в популярной прессе, но и среди известных космологов: все они в один голос твердили об «отпечатках руки Бога». Разумеется, команда COBE откупорила заслуженную бутылку шампанского, и все же космологи понимали, что ситуация была бы куда интересней, если бы наблюдения ничего не выявили. По-настоящему физика расцветает именно тогда, когда что-то где-то идет не так и в результате теории не соответствуют наблюдениям. В нашем же случае результаты наблюдений просто подтвердили высказанные ранее теоретические предположения. Теория формирования галактик (именно так я для краткости буду называть формирование крупномасштабной структуры Вселенной) – это, возможно, самый изящный пример цельности космологической науки. Она демонстрирует, как точные наблюдения, физика частиц и математическое мышление вместе помогают нам создать убедительную картину Вселенной.

* * *

Сам процесс формирования галактик, если смотреть на него максимально просто, выражается в борьбе гравитации с расширением Вселенной: гравитация стремится придать материи структуру, а расширение Вселенной стремится этому помешать. Кто же в итоге выиграет?

Прежде чем дать ответ, нам надо определить, с чем мы имеем дело, и расставить точки над i. В физике на настоящий момент существуют три объекта исследований: частицы, поля и волны. В глазах ученого-физика все, что не является частицей, является полем, а все, что не является ни тем ни другим, должно быть волной. Ньютонова физика является физикой частиц, а современные теории поля относятся к физике поля и волн (последнюю прекрасно иллюстрирует обсуждение энергии вакуума в главе 8). Настоящий физик всегда умеет оперативно свести любую проблему либо к волнам, либо к полям, либо, если речь идет о формировании галактик, к звуковым волнам и электромагнитному полю.

Как и любая волна, кроме световой, звуковая волна представляет собой возмущение, распространяющееся в некоем проводнике – например, в воздухе. Для примера рассмотрим стереодинамик. Он производит колебания, которые попеременно то сжимают воздух возле него, то позволяют этому воздуху расширяться или, как еще говорят физики, разжижаться. К примеру, если взять небольшой пакет, наполненный воздухом, и начать его постепенно сжимать, давление внутри пакета в один прекрасный момент возрастет до таких значений, что не даст ему сжаться сильнее, после чего само же заставит пакет расшириться обратно. Когда давление внутри пакета опускается ниже давления воздуха снаружи, воздух, находящийся снаружи, опять его сдавливает. Воздух ведет себя как пружина.

Итак, динамик производит серию колебаний, которые распространяются по комнате. Эти колебания создают звуковую волну, как показано на рис. 12. Скорость движения волны при этом зависит от плотности воздуха и давления. Чем жестче среда, в которой распространяется волна, тем выше скорость звука. В стали, например, она чуть-чуть не дотягивает до 6 км/с, а это в 17 раз выше скорости звука в воздухе.

Рис. 12

При прохождении звуковой волны атмосферное давление, то есть плотность воздуха, колеблется, ее значения формируют классическую синусоиду, как показано на рис. 12. Расстояние между двумя соседними максимумами и минимумами колебаний называется длиной волны возмущения. На слышимых частотах эта длина составляет 1 метр.

А теперь давайте выйдем на свежий воздух. Атмосфера Земли – это большая комната, которая давно рухнула бы под воздействием гравитации, если бы не давление воздуха. В реальной же атмосфере давление воздуха остается достаточно высоким, чтобы этого не произошло. Как и внутри комнаты, если высокий столб воздуха хоть немного сожмется в атмосфере, давление возрастет и заставит его расширяться. Столб продолжит расширяться, пока давление внутри него не упадет до уровня давления воздуха снаружи, после чего он начнет снова сжиматься. Физики говорят, что атмосфера устойчива к воздействию гравитации и гравитационному коллапсу. Просто ей свойственны «акустические колебания» – забавный термин для звуковых волн.

Но давайте представим, что толщина земной атмосферы была бы равна тысяче земных диаметров. В таком случае ее вес оказался бы больше, чем могло выдержать атмосферное давление, и она бы коллапсировала, не осциллируя.

* * *

Аналогичная ситуация царила в ранней Вселенной. Сразу после Большого взрыва первичный бульон из частиц был равномерно распространен по Вселенной, но спустя некоторое время гравитационное притяжение материи заставило его сгущаться то тут, то там. Атмосферного давления в ранней Вселенной не было, зато было световое. Мы уже знаем из главы 5, что фотоны до начала эпохи рекомбинации не могли преодолевать большие расстояния, не столкнувшись с электроном. Ударяясь о материю, фотоны оказывали на нее давление, словно ветер на паруса космического корабля, движимого солнечным светом. Это давление не позволяло материи коллапсировать под действием собственного веса, создавая акустические колебания, похожие на звуковые волны в воздухе.

Главное различие между воздухом в комнате и светом в ранней Вселенной состоит в том, что первичный бульон ранней Вселенной был намного плотнее, чем воздух. Скорость звука в стали – притом что она тверже воздуха – больше, чем в воздухе, в 17 раз, а в ранней Вселенной величина скорости «звука» составляла 60 % от скорости света. Соответственно, первые структуры во Вселенной должны были бы образоваться из столь плотного материала, что даже самая маленькая структура была бы массивнее сверхскопления галактик с видимой массой около 10¹⁶ солнц и развалилась бы. Другими словами, на первых этапах существования Вселенной никакие структурные объекты просто не могли бы сформироваться.

Конечно, нельзя забывать о том, что CMBR появилось только в эпоху рекомбинации, когда сформировались нейтральные атомы, а фотоны перестали сталкиваться с частицами материи. То есть давление света на материю упало практически до нуля, в результате чего первичный бульон стал существенно более разреженным. В результате наименее крупные структуры могли коллапсировать. Их масса приблизительно должна была равняться 10⁵ массы Солнца, то есть меньше одной миллионной массы Млечного Пути – приблизительно столько же, сколько весит шаровое звездное скопление.

До того как разделиться в период рекомбинации, фотоны и частицы материи находились в одном первичном бульоне, и поэтому при увеличении плотности материи плотность фотонов тоже увеличивалась.

Сегодня эти крохотные вариации в плотности фотонов проявляются в легких вариациях температуры CMBR. Именно они были названы отпечатками пальцев Бога: их обнаружил спутник COBE, тщательно замерил спутник WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), а затем – с еще большей точностью – спутник «Планк». И хотя диапазон флуктуаций составлял всего лишь от одной сотой до одной тысячной градуса, их значение достаточно велико, чтобы служить доказательством формирования структур, наблюдаемых нами сегодня, в результате тех самых гравитационных коллапсов. Сегодня наиболее распространенным среди ученых стал сценарий коллапсов «снизу вверх»: вначале формируются небольшие структуры, они объединяются во все более крупные. Сверхскопления образуются и тогда, когда вы читаете эту книгу.

Мы точно ничего не упустили в нашей картине Вселенной?

10
Орга́н, на котором играет Вселенная

Наше недавнее сравнение Вселенной с комнатой возможно лишь с одной существенной оговоркой: в отличие от комнаты, Вселенная расширяется. Поскольку расширение заставляет структуры внутри Вселенной удаляться друг от друга, оно препятствует возникновению в ней гравитационного коллапса. Насколько ей это удастся, зависит от скорости расширения, которая, в свою очередь, зависит от того, из каких компонентов состоит Вселенная и сколько их.

Поскольку ни фотоны, ни темная энергия не ведут себя так, как материя, кажется довольно логичным, что скорость расширения Вселенной зависит не только от плотности ее компонентов, но и от их природы. Вселенная, состоящая по большей части из видимой или темной материи (то есть Вселенная с преобладающей материей, как мы назвали ее в главе 5), характерна тем, что скорость ее расширения постоянно снижается. В то же время во Вселенной, в которой преобладает излучение, то есть главную роль играют фотоны и нейтрино, расширение тоже замедляется, но коэффициент замедления будет иным; что же касается Вселенной, наполненной темной энергией (то есть подчиненной закону космологической постоянной), то скорость ее расширения не меняется. Сильно искривленная Вселенная также имеет свои особенности поведения.

Учитывая, что скорость расширения Вселенной в значительной степени зависит от ее компонентов, вы можете догадаться, что изменение их пропорционального состава влияет на сценарий образования галактик. Этот принцип сильно играет нам на руку, ведь благодаря ему космологи могут исключить бо́льшую часть ошибочных предположений. Но здесь перед нами встает вопрос: каковы точные пропорции компонентов, позволяющих галактикам формироваться сегодня?

* * *

Чтобы разобраться в этом, мы обратимся к звуку, в данном случае – к звуку орга́на. Главная особенность церковного орга́на – ряды из сотен труб, различающихся по своей длине. Длина каждой трубы определяет издаваемый ею звук, а точнее – длину и частоту звуковой волны. Есть несколько разновидностей орга́нных труб, но сейчас нас интересуют те, что имеют отверстия и сверху, и снизу. Когда звуковая волна проходит по такой трубе, заставляя воздух сжиматься и разжижаться, давление в области отверстий должно оставаться таким же, как и в самом помещении. Именно это позволяет воздуху внутри трубы резонировать. Как показано на рис. 13 и 14, максимальная длина волны, при которой она может уместиться в полости трубы и при этом соответствовать вышеописанному требованию, может превышать длину трубы не более чем в два раза. Это основной тон или первая гармоника – нота, которую мы слышим.

Волна длиной, равной длине трубы, тоже создает резонанс, и поскольку ее длина составляет половину основной, частота ее колебаний оказывается вдвое выше. Эта волна известна как первый обертон или вторая гармоника. Третья гармоника, частота колебаний которой в три раза выше основной, тоже будет резонировать, как и прочие вслед за ней. В случае с каждой гармоникой, расстояние от максимума или минимума давления в трубе до ближайшего пика давления в помещении составляет одну четверть длины волны или одну четверть колебания.

В целом Вселенная – это все тот же орга́н.

Рис. 131

* * *

Конечно, если нарисовать график звуковой волны, производимой орга́ном, он будет намного сложнее простой синусоидальной волны, однако идеальная его версия будет напоминать волну, изображенную на графике слева на рис. 14.

Рис. 14

Наверное, вы уже поняли, что любая нота, сыгранная на музыкальном инструменте, состоит из основного тона и обертонов, возникающих на более высоких частотах, как показано на правом графике вверху. Математический метод, применяемый для разбивки ноты на обертоны, или гармоники, называется спектральным анализом. Разложив волну на гармоники, мы можем построить график, отражающий количество энергии на каждой частоте волны, как на рис. 15. Это и есть спектр звуковой волны – такой же, как у световых или тепловых волн. На графиках показан простой случай всего для трех гармоник.

Рис. 15

Ранняя Вселенная – самый грандиозный орга́н, который только можно представить. Запомните: температурные флуктуации космического микроволнового фона отражают флуктуации плотности материи в ранней Вселенной. Величина этих флуктуаций может разниться: детализированная карта, созданная при помощи космического телескопа на спутнике «Планк», показала, что некоторые флуктуации соответствуют более высокой плотности, чем другие, образуя спектр колебаний плотности, по форме совершенно аналогичный спектру звуковых колебаний, создаваемых трубами орга́на.

И на самом деле мы можем установить величину колебаний плотности на основе данных о частотных резонансах в ранней Вселенной. Представьте, что вскоре после Большого взрыва вся материя рассредоточилась по Вселенной равномерно. Она начала сжиматься, но давление света вызвало колебания. Эти колебания прекратились лишь в эпоху рекомбинации, когда фотоны отделились от барионов. Максимальное давление в орга́нной трубе отклоняется на четверть колебания от давления окружающей среды, то есть давления света в ранней Вселенной. Таким образом, фундаментальное колебание в ранней Вселенной – это колебание, которое дало шанс первичному сгустку сжаться один раз от исходного состояния до эпохи рекомбинации, когда колебания прекратились. Этот первый обертон сжался и расширился один раз. Второй обертон сжался один раз, расширился один раз, а затем еще раз сжался.

Вы можете возразить, что у орга́нной трубы есть физическая длина, а я рассуждаю здесь о времени – времени, прошедшем от Большого взрыва до начала рекомбинации. Но на самом деле временной интервал как раз и соответствовал длине. Под длиной в данном случае мы понимаем расстояние, которое с момента Большого взрыва и до эпохи рекомбинации успел пройти звук. Скорость этого «звука» равнялась приблизительно 0,6 c, что аналогично расстоянию в несколько сотен тысяч световых лет. Как и в случае с орга́нной трубой, фундаментальная длина волны флуктуаций в 4 раза превышала это расстояние (длина волны обертонов была соответственно меньше).

Вселенная расширилась примерно в тысячу раз с того момента, когда эти колебания отпечатали свой след в реликтовом излучении. Поскольку волны растягивались вместе с Вселенной, то и длины волн гармоник растянулись на ту же величину, и потому их вполне можно вычислить по отдельности и в сегодняшнем небе. Угловой размер первичного колебания должен равняться приблизительно 1°, что вдвое больше диаметра Луны. Угловой размер обертонов должен быть пропорционально меньше.

Самое удивительное, что в результате серии наблюдений, проведенных как с Земли, так и со спутников, существование гармоник все-таки было подтверждено. Например, карта «Планка», показывающая первичные флуктуации плотности, может быть преобразована в звуковой спектр. График акустических колебаний барионов (большинству специалистов они известны как звуковые волны, но отдельные энтузиасты зовут их отпечатками руки Бога), показывают на всех семинарах по космологии. На рис. 16 вы можете увидеть, что первый пик этого графика – основное колебание Вселенского орга́на, остальные же представляют собой обертоны.

Рис. 16

Поскольку сжатие материи зависит от скорости расширения Вселенной, а оно, в свою очередь, зависит от ее содержимого, график это должен отражать. Спектр колебаний CMBR действительно стал одним из наиболее тонких способов тестирования имеющихся космологических моделей. В закрытой Вселенной (то есть загнутой в форме сферы) удаленный объект будет казаться больше, чем в плоском пространстве. На графике такой Вселенной пики сместились бы в сторону бо́льших угловых размеров, то есть влево. Но нахождение пиков там, где мы их наблюдаем, возможно лишь при условии, что наша Вселенная плоская. Именно поэтому я сказал в главе 3, что геометрия нашей Вселенной почти евклидова или, другими словами, плоская.

Если Вселенная действительно плоская, то совокупная плотность всех ее компонентов – обычной материи, излучения, темной материи и темной энергии – по определению должна равняться критической плотности, о которой мы говорили в главе 4. В этом случае великая космологическая игра будет состоять в подборе пропорции составляющих так, чтобы они максимально соответствовали наблюдаемому графику.

Для примера рассмотрим материю. Если бы обычная барионная материя (то есть нейтроны и протоны) была единственной материей во Вселенной, она бы начала сгущаться только в тот момент, когда освободилась бы от давления света, то есть в эпоху рекомбинации. Но в настоящий момент мы уверены, что большую часть материи во Вселенной составляет темная материя, ни в каком виде не взаимодействующая со светом. Следовательно, давление света ранней Вселенной никак на нее не влияло, и она не играла никакой роли в акустических колебаниях.

Темная материя проявляет себя через гравитацию, поэтому она должна была бы сжаться. В самом деле: если бы она состояла из WIMP (слабо взаимодействующих массивных частиц), в сто раз превышающих массу протона, она бы начала сгущаться почти сразу после Большого взрыва. В таком случае присутствие темной материи стало бы заметно в тот момент, когда материя во Вселенной начала преобладать, то есть еще до начала рекомбинации, и это привело бы к появлению центров гравитации, ускорявших формирование скоплений барионной материи. Ускорение сжатия, в свою очередь, привело бы к увеличению пиков в первичном звуковом спектре.

А теперь давайте представим, что темная материя состоит из нейтрино. Темная материя все равно останется темной материей, и в этом смысле нейтрино ничем не будет отличаться от WIMP. Единственное отличие состоит в том, что в существовании нейтрино мы точно уверены. Нейтрино тоже могли бы создавать гравитационные центры, подталкивая барионы к сжатию. Но здесь мы сталкиваемся с другой проблемой: в отличие от WIMP, нейтрино остаются экстремально легкими частицами, скорость которых приблизительно равна скорости света в ранней Вселенной. Эта высокая скорость просто не позволяла бы им слипаться под воздействием гравитации – если только их количество не составляло в совокупности целое сверхскопление. В таком случае размеры центров формирования ядер материи приблизительно должны были равняться размерам Вселенной, а маленьких структур вроде шаровых звездных скоплений просто не возникало бы.

Частицы, движущиеся на высокой скорости, называют горячей темной материей, а медленные вроде WIMP – холодной темной материей. В целом более высокие обертоны акустического спектра, соответствующие небольшим скоплениям, в моделях с горячей темной материей просто отсутствуют. Но поскольку высокие обертоны все-таки существуют, космологи склонны верить, что темная материя холодная.

Космологическая постоянная, сегодня служащая важнейшим показателем для определения скорости расширения Вселенной, почти не отражена в реликтовом излучении, как оказалось. Хотя в настоящий момент материя (видимая и темная) и преобладает во Вселенной, тем не менее ее энергетическая плотность равна энергетической плотности в ранней Вселенной – это константа. А суммарная плотность энергии вещества и излучения быстро возрастала в прошлом, поэтому всего несколько миллиардов лет назад могла бы превысить энергию, определяемую космологической постоянной. Получается, константа играла незначительную роль при формировании реликтового излучения, которое сформировалось существенно раньше. В любом случае космологи полагают, что оно существует не только благодаря ускорению расширения, но и по другим причинам – их я еще не разбирал.

Одной из таких причин стало прохождение реликтового излучения сквозь гравитационные линзы. Точно так же, как MACHO искажают изображение любого источника света, оказавшегося позади них (этот процесс был описан в главе 7), изображение CMBR на карте «Планка» искажается материей (например, сверхскоплениями), оказавшимися между нами и границами обозримой Вселенной (последние находятся на расстоянии 14 миллиардов световых лет от нас и являются местом, где появилось CMBR). И точно так же, как изображение предмета, на который мы смотрим через увеличительное стекло, зависит от положения стекла между глазом и объектом, степень искажения CMBR зависит от положения линзирующей материи. В условиях расширяющейся Вселенной это явление зависит от всех вышеперечисленных компонентов, включая космологическую постоянную. Для получения правдоподобного спектра реликтового излучения необходимо вводить еще и понятие темной энергии.

Наконец, мы добрались до стандартной космологической модели, также известной как Модель лямбда-CDM или ΛCDM, где Λ – это холодная темная материя. Лучшим образом кривой на графике соответствуют 68,5 % темной энергии, 26,7 % темной материи и 4,8 % обычной материи. Прошу, не ссылайтесь на меня, если решите где-то привести эти цифры!

* * *

При всех своих достоинствах модель ΛCDM оставляет некоторые вопросы открытыми. Казалось бы, имея все необходимые компоненты под рукой, вычислить современную постоянную Хаббла довольно просто. Увы, ее значение, вычисленное на основе акустических колебаний барионов с учетом гравитационных линз, равно 67,4 в стандартных астрономических единицах, а значение, вычисленное на основе данных наблюдений за сверхновыми, – 73,9. Таким образом, возникает расхождение в 10 %^[22]. Астрономы ищут постоянную Хаббла с рвением крестоносцев, поэтому можно быть уверенным, что они не успокоятся, пока этот вопрос не будет решен.

Важны ли эти 10 %? в свое время наблюдения за маленькими отклонениями от закона Хаббла привели к открытию расширяющейся Вселенной. Теперь, однако, мы скорее имеем дело с ошибкой, допущенной на одном из этапов исследования. Довольно скоро вычисления позволят сократить расхождение до некой минимальной величины (скажем, 1 %), при достижении которой дальнейшее уточнение значения H уже вряд ли переоткроет нам физику. А пока этот момент не наступил, было бы неплохо понять, чего мы хотим добиться этими вычислениями.

Еще важнее, что до сих пор мы говорили лишь о формировании структуры, но не о том, с чего оно началось. И этому есть оправдание. По мере того как Вселенная развивается, формируя галактики и звезды, в игру вступают другие, отличные от гравитации, силы, в результате чего физика становится все сложнее. На заметку: после возникновения CMBR Вселенная на несколько миллионов лет погрузилась в своего рода «темные века». Самые первые галактики начали появляться в конце этого периода, а объединяться в скопления еще спустя сотни миллионов лет. Что касается сверхскоплений, они продолжают формироваться и сегодня.

Все эти структуры могли успеть сформироваться в течение времени существования Вселенной, учитывая, что наблюдаемый нами размер божественных отпечатков пальцев в процессе формирования реликтового излучения равен примерно одному к ста тысячам.

К тому же спектр отпечатков Бога имеет одну любопытную особенность – физики называют ее масштабной инвариантностью. Грубо говоря, это означает, что законы физики сохраняют свой вид при любых расстояниях и промежутках времени. Рассматривая лист папоротника через камеру с зумом, мы видим, что он остается таким же и при приближении. Раньше на упаковках масла Land O’Lakes можно было увидеть изображение коренной американки: она держала в руках точно такую же упаковку с маслом, на которой вы видели ту же американку с той же упаковкой, и т. д. Если интенсивность звука в октаве в орга́нном спектре не меняется, мы можем сказать, что она инвариантна относительно масштаба. Называйте его спектром Land O’Lakes, если хотите^[23].

В ранней Вселенной интенсивность сжатия массы остается постоянной по сравнению с ее объемом. То, что спектр барионных акустических колебаний похож на упаковку Land O’Lakes, не самая очевидная истина. Тем не менее так и есть.

Что же определило размер и спектр отпечатков руки Бога?

11
Первый вывод: космическая инфляция

До сих пор мы говорили о том, что происходило во Вселенной спустя 0,0001 секунды после Большого взрыва, когда первичный нуклеосинтез уже готов был начаться. Совершенно естественным будет спросить, что же происходило с ней раньше. Здесь наш разговор приобретает более, так сказать, спекулятивный характер. Приблизительно в микросекунду после Большого взрыва горячие нейтроны и протоны должны были распасться на составные части, кварки, что и было недавно подтверждено экспериментами в коллайдере. Все же вопрос, появились ли разные новые частицы в еще более ранний промежуток времени, до сих пор остается открытым. Бозон Хиггса, скорее всего, существовал еще в первые миллиардные доли секунды после Большого взрыва. Хиггс – это знаменитая частица, придающая массу другим частицам, но, поскольку ее роль в космологическом процессе весьма вторична, мы не будем лишний раз на ней останавливаться. Конечно, первые мгновения существования Вселенной заставляют задуматься о великой и ужасной сингулярности, когда при t = 0 все рвануло, но пока давайте продолжим избегать страшилок и поразмышляем о первых мгновениях после Большого взрыва, как это делают космологи, не обращая внимания на существующие неясности.

После 1980 года умами сначала космологов, а затем и общественности овладела новая теория, что происходило во Вселенной в первые 10^-32 секунд после Большого взрыва. По причинам, которые вскоре станут понятными, она была названа инфляцией. Название было предложено ее главным поборником Аланом Гутом, хотя еще до того, как он начал говорить о ней на своих семинарах, похожие соображения были опубликованы Демосфеном Казанасом в США и Алексеем Старобинским в Советском Союзе.

По ряду причин – и не в последнюю очередь из-за названия – инфляция имела оглушительный успех: она почти сразу же стала частью стандартной космологической модели, а в учебных пособиях о ней говорилось как о чем-то бесспорном. Вот уже четыре десятилетия она остается краеугольным камнем космологического мышления. Нужно понимать, что инфляция не является теорией в том же смысле, что и, скажем, квантовая механика, подтвержденная множеством экспериментов и наблюдений. Это скорее собрание сотен моделей, чьей изначальной целью было объяснение определенных «дефектов» теории Большого взрыва в том виде, в каком мы ее описали. Дефекты, о которых мы говорим, не являются наблюдаемыми аномалиями – скорее они представляют собой головоломки теоретического или философского характера, которые не может разрешить стандартная теория Большого взрыва. По своей природе они куда ближе к проблеме соотношения фотонов к барионам из главы 6 или проблеме космологической постоянной из главы 8, чем к проблеме смещения перигелия Меркурия. Вопрос, решает ли теория инфляции эти проблемы, остается предметом еще более жарких дискуссий. Одержит ли она победу или окажется на свалке истории, будет зависеть от последующих поколений космологов.

* * *

На проблемы, для решения которых и была создана теория инфляции Вселенной, в течение долгого времени указывал Роберт Дикке. Первая из них известна как проблема плоской Вселенной. Мы уже не раз говорили о том, что реальная Вселенная, как об этом свидетельствуют наблюдения, является почти плоской. Но почему?

Хотелось бы ответить «а почему нет?», но от этого вопроса так просто не отмахнуться. Если существующая Вселенная почти плоская, ее плотность должна быть близка к критическому значению, которое отделяет «закрытую» сферическую Вселенную от «открытой», похожей на картофельный чипс из главы 4. Насколько это вероятно? Чтобы описать эту проблему наглядно, давайте предположим, что сегодняшняя плотность Вселенной составляет 99,5 % от критического значения. В таком случае мы можем сказать, что в первую секунду после Большого взрыва, то есть к моменту начала формирования элементов, плотность должна была составлять 1/10¹⁷ критического значения, а на 10^-36 доле секунды после Большого взрыва (данная цифра взята не случайно) она должна была бы равняться примерно 1/10⁵² критического значения, чтобы Вселенная формировалась как плоская. Другими словами, тонкая настройка Вселенной, в результате сделавшая ее плоской, происходила с невообразимой точностью.

Даже для тех из космологов, кто склонен считать эти цифры случайными, представляется абсолютно невозможным, чтобы Большой взрыв был настолько плоским. Как и в случае космологической постоянной и соотношения фотонов к барионам, здесь мы имеем дело скорее с вопросом почему. Как и прежде, космологи изо всех сил стремятся превратить почему в как. Для них важно избежать тонкой настройки и найти механизм, заставивший Вселенную стать плоской, а вопрос, как это произошло, уже не так важен.

Но что значит «возможно» и «невозможно», когда в нашем распоряжении всего лишь одна Вселенная? Здесь мы в полной мере сталкиваемся с проблемой уникальности космоса. Но об этом мы поговорим в следующей главе.

* * *

Вторая проблема, на которую указывал Дикке и которую, как утверждалось, решает инфляция, известна как проблема горизонта. Результаты наблюдений свидетельствуют о том, что температура CMBR удивительным образом однородна во всех направлениях. Даже «божественные отпечатки» из предыдущих глав влияют на однородность в степени столь незначительной, как если бы мы сравнивали толщину мрамора, которым облицован Бурдж-Халифа, сверхвысотный небоскреб Дубая, с его высотой. Как же возникла эта удивительная однородность? Еще одно совпадение?

Может, и совпадение. Попробуем сделать ситуацию еще более наглядной и вспомним, что в обозримой Вселенной существует просто гигантское количество фотонов – 10⁸⁷. Поскольку они находятся внутри обозримой Вселенной, они также находятся в границах расстояния, проходимого светом с момента Большого взрыва. Это расстояние принято называть космологическим горизонтом. Никакой сигнал не может совершать движение быстрее света, из-за чего космологический горизонт становится главным барьером для взаимодействия объектов: два объекта не могут влиять друг на друга, если находятся по разные стороны горизонта. Как показано на рис. 17, горизонт A пролегает там, куда свет успел дойти за время, прошедшее с момента Большого взрыва, то есть прошел расстояние c × t, равное скорости света, помноженной на возраст Вселенной. Таким образом, тела А и В, находящиеся на расстоянии меньшем, чем расстояние до горизонта, могут влиять друг на друга. С другой стороны, A и C не могут взаимодействовать, пока разделяющее их расстояние не сократится до границ горизонта. Можно сказать, что A и B находятся в причинной связи, в то время как A и C – нет.

Рис. 17

По определению, все, что есть в обозримой Вселенной, существует в пределах космологического горизонта. Также по определению, космологический горизонт разрастается со скоростью света и, соответственно, сужается с той же скоростью. С другой стороны, скорость расширения Вселенной, то есть скорость, с которой галактики отдаляются друг от друга, уступает скорости света. Таким образом, двигаясь обратно в прошлое, Вселенная сужается медленнее, чем горизонт. Следовательно, по мере того как мы возвращаемся к Большому взрыву, Вселенная в пределах горизонта занимает все меньшую часть того, что мы называем обозримой Вселенной. В момент формирования CMBR космологический горизонт ограничивал лишь стотысячную часть сегодняшней видимой Вселенной, то есть 10⁸² фотонов.

Это значит, что два облака фотонов во время формирования реликтового излучения были разделены внушительным расстоянием и не могли вступать во взаимодействие. Как и точки A и C на рис. 17, эти участки не находились в причинной связи. Но почему в таком случае температура обоих участков находилась на одном уровне? Это и есть проблема горизонта.

* * *

Следующая проблема, которую должна была решить теория инфляции, известна как проблема реликтовых магнитных монопо́лей. В соответствии с теорией Великого объединения, или ТВО (Grand unified theories, GUT), примерно на 10^-37 доле секунды после Большого взрыва сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия слились в единое поле при разогреве до температуры 10²⁹ градусов. Когда Вселенная расширилась, а объединенное поле распалось на самостоятельные поля, как раз и могли появиться реликтовые магнитные монопо́ли. Магнитный монопо́ль должен был бы представлять собой северный или южный полюс магнита и выступать магнитным аналогом позитивного или негативного электрического заряда. Но в отличие от изолированных позитивных или негативных зарядов вроде протонов и электронов, которые можно встретить повсюду, изолированных северных или южных магнитных полюсов еще никто не видел: каждый магнит имеет и северный, и южный полюс, а если разрезать его надвое, мы просто получим два магнита с северным и южным полюсом в каждом.

Так или иначе, ряд теорий ТВО предполагает, что магнитные монопо́ли в огромных количествах возникли еще в ранней Вселенной и были так тяжелы (на 16 порядков тяжелее протона), что целиком определяли собой плотность Вселенной. Это явление получило название проблемы реликтовых магнитных монопо́лей.

* * *

Решение, предложенное для всех трех проблем в рамках инфляционной модели, было элегантно и достаточно однозначно, чтобы его мог понять среднестатистический физик. Решение предполагало, что, когда эпоха ТВО подошла к концу, что случилось приблизительно между 10^-36 и 10^-32 секундами после Большого взрыва, Вселенная внезапно начала расширяться по экспоненте и увеличилась в 27–28 раз за очень короткий промежуток времени.

Если бы вы вдруг превратились в муравья, пробирающегося по кусочку попкорна, внезапно увеличившегося в 27 раз, то его поверхность показалась бы вам практически плоской. Именно так инфляция решает проблему плоскостности.

Проблема магнитного монопо́ля устраняется тем же самым решением. Бесчисленное количество монопо́лей во Вселенной было рассредоточено по ней за счет расширения, так что их плотность стала равняться приблизительно одному монопо́лю на обозримую часть Вселенной. Мы его пока не нашли.

Проблема горизонта оказалась сложнее: пришлось отвечать на вопрос, как получилось, что разделенные значительным расстоянием участки неба смогли взаимодействовать и сглаживать друг друга, чтобы образовать однородное микроволновое излучение. Поскольку в стандартной модели Вселенной часть горизонта, обращенная в прошлое, сужается быстрее самой Вселенной, выходит, что на 10^-36 доле секунды после Большого взрыва горизонт был меньше, чем Вселенная, приблизительно на 27 порядков величины.

Это значит, что практически никакие частицы во Вселенной не могли взаимодействовать между собой. С другой стороны, частицы в границах этого крохотного горизонта по определению могли взаимодействовать, и если бы этот маленький клочок раздулся на 27 порядков величины, сейчас он был бы размером с видимую Вселенную.

Инфляционная модель утверждает, что современная Вселенная выросла из маленького пятнышка размером с зернышко попкорна, в котором фотоны уже успели начать взаимодействовать и сгладили все неровности, а расширение этого пятнышка в итоге привело к возникновению однородного фонового излучения. Заметьте, однако, что расширение не объясняет, как началось сглаживание, а лишь описывает необходимые условия для его развития.

* * *

Главная причина, по которой инфляционная модель стала такой популярной, касается не трех вышеописанных проблем, а отпечатков руки Бога. Флуктуации в реликтовом излучении отражают отклонения температуры от стандартных 2,7 °C на одну стотысячную долю градуса. Их спектр также неизменен и не зависит от масштаба. Эти особенности флуктуаций стали известны нам из непосредственных наблюдений. Но как они возникли?

Ранние инфляционные модели претендуют на объяснение этих явлений. Из главы 8 мы уже знаем, что, по утверждению физиков, вакуум заполнен маленькими флуктуациями энергии, так называемыми квантовыми флуктуациями. Если верить инфляционной модели, они возникли сразу после Большого взрыва, положив начало эпохе квантовой гравитации, о которой мы еще поговорим в главе 14. Инфляция раздула эти флуктуации до флуктуаций реликтового излучения. Более того, она делает это таким образом, что спектр этих колебаний становится спектром Land O’Lakes.

* * *

Таким образом, если бы инфляция действительно имела место, она, по-видимому, могла бы объяснить некоторые особенности космоса, сбивающие нас с толку. Но откуда она взялась? В этом вопросе множество инфляционных моделей расходятся. Большинство моделей предлагают некое новое поле, не похожее на темную энергию. Возможно, вы помните, что скорость расширения Вселенной зависит от ее содержимого. Если во Вселенной преобладает темная энергия, действует космологическая постоянная, то уравнения Фридмана говорят нам следующее: размер растет экспоненциально с течением времени. Поскольку в современной Вселенной темная энергия действительно преобладает, мы можем сказать, что она расширяется практически экспоненциально.

В инфляционном сценарии развития Вселенной почти то же самое происходило в промежутке между 10^-36 и 10^-32 секундами после Большого взрыва. В это время во Вселенной преобладала некая новая форма энергии: она не обязательно была сегодняшней темной энергией, но напоминала какое-то время космологическую постоянную – см. рис. 18. Эта почти постоянная энергия привела к экспоненциальной инфляции, а к концу периода инфляции ослабела и практически исчезла. Эта диаграмма известна как диаграмма потенциальной энергии. Возможно, вы уже знаете, что любая физическая система, как шар на вершине холма, стремится занять положение с минимальной потенциальной энергией, поэтому шар и скатывается вниз по склону. Физики часто визуализируют образ Вселенной в виде мяча, находящегося на вершине кривой энергии, создаваемой инфляционным полем. По мере того как мяч медленно катится с почти плоского холма, инфляция действует. Когда инфляция заканчивается, он стремительно проваливается в яму, теряя всю свою энергию.

Рис. 18

Однако физики также верят в знаменитый закон сохранения энергии и не спешат соглашаться с тем, что доминировавшая форма энергии во Вселенной могла исчезнуть, не оставив следа. Их больше устраивает следующая картина: в процессе инфляции Вселенная расширилась достаточно, чтобы решить космологические проблемы, о которых мы говорили; в то же время расширение невероятных масштабов полностью истощило Вселенную, лишив ее всех компонентов: монопо́лей, фотонов, нейтрино и всего остального. Когда инфляция закончилась, поле, выступающее ее двигателем, ослабло, а его энергия преобразовалась в частицы, из которых состоит современная Вселенная. Инфляция и последующий за ней «повторный разогрев» произошли быстрее, в мгновение ока.

Но почему инфляционная энергия исчезает? Сначала это объясняли известным феноменом фазовых переходов. Воду можно охладить до температуры ниже точки замерзания – но только при условии, что мы будем охлаждать ее медленно и осторожно. Если же в воду все-таки проникнет частица пыли, она станет центром нуклеации для льда, из-за чего наша вода очень быстро замерзнет.

В рамках теорий великого объединения было справедливо предположить, что что-то подобное произошло в пространстве ранней Вселенной с энергией вакуума, когда единое поле разделилось на разные виды взаимодействия. Сначала энергия вакуума достигала высоких значений, но затем «переохладилась». За это время образовалась инфляция, и в итоге энергия вакуума опустилась до показателя, который мы имеем сегодня. Более поздние версии инфляционной модели просто предлагали новое поле с диаграммой потенциальной энергии, похожей на ту, что вы видели на предыдущей странице.

Говоря вкратце, данная глава посвящена тому, как инфляция – предположительно – избавила Вселенную от головной боли.

Мы ничего не упустили?

12
Можно ли верить инфляционной теории?

В предыдущей главе я старался говорить настолько простым языком, что в итоге оказался не до конца честен. Поскольку инфляционная картина мира предлагала элегантное решение знаменитых космологических проблем, со временем к ней, как это принято в науке, начали относиться с более пристальным вниманием, и сегодня ее дальнейшая судьба уже не выглядит так обнадеживающе, как в первые годы после ее появления.

Если говорить о проблеме реликтовых магнитных монопо́лей, то, несмотря на десятилетия непрерывных исследований, у нас так и не появилось никаких экспериментальных доказательств ТВО. Если же теории, говорящие нам о существовании обильного количества монопо́лей, могут оказаться просто-напросто ошибочными, проблема монопо́лей исчезает сама собой.

Что касается «отпечатков руки Бога», здесь подавляющая часть дискуссии (как среди любителей, так и среди ученых) сосредоточена на спектре реликтового излучения, а также на том, насколько этот спектр согласуется с простейшими предположениями инфляционной теории. Тем не менее вопрос, чем обусловлен размер флуктуаций (он составляет стотысячные доли градуса), также не может оставаться без ответа. У нас давно не осталось сомнений в том, что воспроизведение этого показателя требует корректировки исключительной точности для значений потенциальной энергии на диаграмме, представленной на рис. 18, – отклонение даже на 1/10¹⁴ градуса приведет к неверному ответу. Подобная задача – очередной пример тонкой настройки. Следовательно, нам стоит хорошенько подумать, не променяли ли мы одну проблему тонкой настройки на другую, пока пытались вычислить потенциал с нужной точностью.

Более того, хотя мы и можем примирить спектр типа Land O’Lakes с предположениями инфляционной теории, инфляция не единственный процесс, способный его создавать (мы убедимся в этом в следующей главе). В таком случае как же нам выбрать из нескольких моделей одну? На самом деле инфляция предполагает спектр не в точности типа Land O’Lakes, а только примерно такой. В настоящее время как минимум несколько космологов утверждают, что данные, полученные со спутника «Планк», уже противоречат выводам инфляционной теории, а значит, на основании полученных наблюдений мы должны отказаться от нее в пользу других моделей (о них еще будет сказано в главе 13). Разумеется, сторонники инфляционной теории с этим не согласятся.

* * *

Инфляционный сценарий связан и с другими противоречиями и сложностями. Например, уже на протяжении двух столетий мы знаем, что свет, отраженный от оконного стекла, поляризован. Являясь электромагнитной волной, свет состоит из электрического и магнитного полей. Когда волна пребывает в движении, эти поля осциллируют, находясь под углом 90° относительно друг друга. Направление, в котором движется электрическое поле, принято называть направлением, или осью, поляризации. В то же время свет, исходящий от лампочки, является неполяризованным светом, а значит, его электрическое поле случайным образом расходится во всех направлениях. Неполяризованный свет можно представить в виде двух независимых лучей, чьи электрические поля направлены перпендикулярно друг другу. Когда такой луч попадает на оконное стекло, он поляризуется – электрическое поле осциллирует только в одном направлении.

В качестве похожего примера можно привести солнцезащитные очки Polaroid: молекулы в их стеклах расположены таким образом, что пропускают только одно направление поляризации, тем самым вдвое снижая интенсивность неполяризованного света. Если же вы, сидя в машине, поправите очки таким образом, чтобы электрическое поле света падало на их ось поляризации под правильным углом, вы почти ничего не увидите, ведь доходящий до вас свет поляризуется уже в тот момент, когда отражается от лобового стекла машины.

Таким же лобовым стеклом выступает космический микроволновый фон. В процессе образования CMBR фотоны ударялись об электроны, из-за чего электроны начали колебаться в направлении электрического поля света. Колеблющиеся электроны отражали свет в одном направлении, и он поляризовался. Если бы первичный бульон был полностью однородным, фотоны бы ударялись об электроны со всех сторон одинаково, а общий уровень поляризации был бы равен нулю. Существование тех самых крохотных отпечатков божественной руки свидетельствуют о том, что лобовое стекло в лице CMBR не является до конца однородным, и это проявляется в виде небольшой, но отчетливой поляризации.

Поляризация микроволнового фона с точностью измерена множеством чрезвычайно чувствительных телескопов. Их слишком много, чтобы перечислять. Скажем только, что все названия – это аббревиатуры вроде DASI или ACT. Расположены они на Южном полюсе или в пустыне Атакама в Чили, при этом все получаемые с их помощью измерения являют одну и ту же картину.

Инфляционная теория также предполагает существование первичных гравитационных волн, возникших из-за колебаний квантовых полей в наиболее ранний период существования Вселенной. В главе 3 мы уже говорили о существовании гравитационных волн, распространяющихся в пространстве-времени, сжимая и расширяя детекторы, установленные для их поиска. Эти волны делают то же самое, что и первичный бульон в то время, когда формировалось CMBR: создают неоднородности, которые также поляризуют свет. В результате растяжения и сжатия среды гравитационными волнами появляются отпечатки, которые, однако, отличаются от тех, что возникают из-за сжатия в процессе акустических флуктуаций, о чем было сказано в главе 10. В принципе, при достаточной чувствительности телескопа вполне возможно различить два отдельных паттерна.

Поляризация CMBR, вызванная первичными гравитационными волнами, по идее должна быть куда слабее, чем поляризация, вызванная акустическими флуктуациями, однако некоторые космологи утверждают, что обнаружение именно этого вида поляризации CMBR стало бы главным доказательством верности инфляционной теории. В 2014 году группа ученых из Гарвардского университета, проводивших эксперимент BICEP2, во всеуслышание объявила именно об этом открытии. Однако результаты их исследований были опровергнуты спутником «Планк», а значит, первичные гравитационные волны по-прежнему нельзя считать обнаруженными.

* * *

Как уже было сказано, данные со спутника «Планк» почти полностью исключают существование инфляции. Тем не менее главные возражения против инфляционной теории по-прежнему вырастают из ее базовых утверждений. Я уже несколько раз упоминал квантовые флуктуации и то, как инфляция должна на них влиять. Однако нельзя забывать о том, что квантовой теории зарождения Вселенной пока не существует, а значит, инфляционная теория не может считаться реальной квантовой теорией Вселенной. Более того, для воссоздания предполагаемого квантового поведения инфляционные модели задействуют обычную, классическую физику. Мы же видим, что главное возражение против инфляционной теории состоит как раз в том, что роль полей в ней сводится исключительно к созданию инфляции, причем их существование не подтверждено ни наблюдениями, ни теоретическими доводами.

С этим связана следующая трудность. По идее, инфляция должна была бы растянуть квантовые колебания до таких размеров, чтобы они отразились в реликтовом излучении. На данный момент у нас нет никакого механизма перехода от квантовой теории к классической. Действительно: если бы инфляция продолжалась хоть немного дольше, чем нужно для решения космологических проблем, то можно было бы показать, что в самом начале длина волн колебаний составляла менее 10^-33 см. Это очень малая величина. Это масштаб длины, называемый планковской длиной, на котором законы классической физики перестают действовать, уступая место квантовой теории гравитации. Но поскольку в настоящее время этой теории не существует, нам стоит со скепсисом относиться к рассуждениям о том, что произошло в эпоху квантовой гравитации.

Однако давайте на мгновение допустим, что инфляционные модели действительно воспроизводят квантовое поведение. По всей Вселенной квантовые поля колеблются случайным образом, причем большие флуктуации значительно уступают маленьким по количеству, но тем не менее случаются. В процессе инфляции большая флуктуация, где-нибудь во Вселенной, может переместить энергию поля вверх по кривой с рис. 18. Инфляция в этой области возрастает до тех пор, пока флуктуация не исчезнет. По мере того как «пузырь» инфляции раздувается, появляется все больше флуктуаций. Они производят такие же пузыри, которые, в свою очередь, раздуваются еще сильнее, и так до бесконечности. Инфляция – буквально вечный процесс. Образуется в результате крайне неравномерная ситуация, с разной инфляцией в разных дочерних Вселенных. Если в одних случаях инфляционная теория может разрешить существующие космологические проблемы, то в других – нет.

Описанная выше мультивселенная является неизбежным следствием инфляционной парадигмы. Подробнее мы поговорим о ней в главе 15, а пока для нас важно понять, что концепция мультивселенной, столь популярная в наши дни, связана с серьезными концептуальными трудностями. Предположим, у нас есть задача: оценить вероятность, с которой космологические проблемы в данной Вселенной будут решены. Если мы действительно имеем дело с бесконечным количеством Вселенных, это будет, мягко говоря, не просто. Когда мы наобум метаем дротики в мишень, которая на 25 % окрашена желтым и на 75 % – черным, интуиция подсказывает нам бить по черной области в три раза чаще, чем по желтой. Даже если мы будем иметь дело с бесконечно широкой мишенью, мы все еще будем чувствовать, что по черному бить нужно в три раза чаще, и действительно сможем определить вероятность в достаточной степени правильно.

Но в случае если наша мишень содержит бесконечное множество неповторяющихся цветов, вероятность попадания в один выбранный цвет почти равна нулю. А теперь предположим, что у нас есть бесконечное множество оттенков зеленого, представляющих все условия, необходимые для инфляции, но также и бесконечное количество красных, желтых, желто-зеленых и прочих оттенков. Тогда будет ли вероятность попадания в один из оттенков зеленого выше нуля?

Как и в случае черно-желтой мишени, мы должны иметь основания сказать: «для мишени конечных размеров вероятность попадания в зеленый в три раза выше, чем в фиолетовый» и подтвердить, что и для бесконечной мишени это утверждение будет оставаться верным.

Похожую дилемму ставит перед нами инфляционная теория. Если нас интересует, с какой вероятностью может возникнуть Вселенная, в которой вышеописанные космологические проблемы будут решены, нам нужно понять, при каких условиях (цветах) это наиболее возможно. Дело в том, что нет ни одного общепринятого способа сделать это. Космологи Гарри Гиббонс и Нил Турок пришли к выводу, что в большинстве вселенных уровень инфляции недостаточно высок, чтобы эти проблемы разрешились. Математик Роджер Пенроуз пошел дальше. Уравнения инфляции в точности повторяют уравнения Ньютона: если мы знаем, что происходит в настоящий момент, мы можем спрогнозировать будущее и реконструировать прошлое. В то же время, если представить современную Вселенную неоднородной и искривленной (в гораздо более неровном и искривленном, чем допускают данные наблюдений, виде), а затем экстраполировать уравнения на период, предшествующий инфляции, мы получим ряд условий, которые, в соответствии с нашими построениями, не позволят Вселенной стать плоской, а инфляции устранить их. Более того, Пенроуз утверждает, что такие неравные исходные условия намного более вероятны, чем альтернативные мягкие, и приходит к выводу, что в ходе инфляции просто не могла возникнуть Вселенная, напоминающая ту, в которой мы с вами живем.

* * *

Альтернативные решения космологических проблем также предлагались довольно часто. Одно из них предполагает, что условия, необходимые для зарождения жизни и эволюции, могли сложиться лишь в условиях почти плоской Вселенной. Дело в том, что слишком «закрытые» вселенные почти сразу же после возникновения должны переходить в стадию сжатия – за века до того, как начали бы формироваться галактики. С другой стороны, слишком «открытые» вселенные также не дают галактикам возможности сформироваться. Следовательно, единственное, что нам остается, – это наблюдать наш космос таким, какой он есть, поскольку мы непосредственно в нем находимся. Это еще один пример антропного мышления, о котором мы поговорим подробнее в главе 15. Как правило, физики относятся к подобным аргументам со скепсисом, поскольку нет никакой возможности до конца убедиться в их истинности. Учитывая, что в нашем распоряжении находится лишь одна единственная Вселенная, все, что мы можем, – обратить внимание на некоторые сложности, связанные с инфляционной картиной мира.

Более доступная иллюстрация той же дилеммы вытекает из факта, что в современной Вселенной преобладает темная энергия. Если темная энергия и правда служит космологической постоянной – и, следовательно, остается постоянной, – то со временем, когда в результате расширения Вселенной материя и излучение в ней растворятся, нетронутой останется лишь она. Даже энергия, поддерживаемая кривизной пространства, в итоге исчезнет, после чего Вселенная станет плоской. В таком случае скажут ли космологи того далекого будущего, что проблемы плоскостности не существует, потому что космологическая постоянная обеспечивает механизм, делающий ее плоской? Скажут ли они, что проблема плоскостности – это и есть проблема космологической постоянной, потому что плоскостность Вселенной зависит от размера этой постоянной?

А может, к тому моменту все звезды во Вселенной уже погибнут, не оставив ни одного космолога, который мог бы об этом подумать?

Можем ли мы предложить альтернативу инфляционной теории?

13
Сжатия и отскоки

Теперь, приближаясь к моменту, когда t = 0, вы можете спросить, что предшествовало Большому взрыву? Или, возможно, вы хотите узнать, предшествовало ли Большому взрыву Большое сжатие? А может, вы и есть тот слушатель из введения, который в конце лекции поднимается на сцену, чтобы задать один из вопросов, еще более расхожих, чем «Находимся ли мы в центре Вселенной?» или «Куда Вселенная расширяется?».

Вопрос, что предшествовало Большому взрыву, абсолютно естественен, и космологи не перестают биться над ним с тех пор, как было открыто расширение Вселенной. На этот счет было высказано множество предположений, однако точного ответа получить так и не удалось. Теории, в рамках которых периоды расширения Вселенной чередуются с периодами сжатия, известны как циклические модели, или «отскакивающие», причем в последнее десятилетие их вновь начали рассматривать как возможную альтернативу инфляционной теории.

Концепция циклической Вселенной чрезвычайно подкупает именно тем, что избавляет нас от вопроса, каким образом давным-давно Вселенная могла возникнуть буквально из ниоткуда. В математическом плане это означает, что нам не нужно определять условия, в которых возникла Вселенная, потому что как такового возникновения не было. Впрочем, представить себе Вселенную, вечно колеблющуюся между расширением и сжатием, тоже не так-то просто.

Проблемой циклических моделей всегда оставалась сингулярность Большого взрыва. Что ж, здесь закрыть на нее глаза не получится. Космическая модель Фридмана предполагает, что в самом начале Большого взрыва температура, давление, плотность и скорость расширения Вселенной были бесконечны. Эта бесконечность оборачивается для нашей стройной системы настоящей катастрофой – более страшной, чем чума или экономический кризис, которые, по крайней мере, имеют свойство заканчиваться. Большой взрыв заставляет все уравнения относительности гореть синим пламенем, и в итоге мы просто не можем – и, вероятно, не сможем – ответить на вопрос, что же ему предшествовало. Сам Фридман утверждал, что уравнения Эйнштейна допускают колебание Вселенной, но при этом он вообще не учитывал сингулярность. Когда в начале 1930-х годов физик Ричард Толмен предложил более детализированную циклическую модель Вселенной, он заметил, что с сингулярностью действительно связан ряд серьезных трудностей, но, вероятно, произошло какое-то чудо, позволившее Вселенной продолжить расширяться после Большого сжатия.

* * *

Десятилетиями космологи верили, что Вселенные, которым свойственна меньшая однородность, чем Вселенной Фридмана, могли избежать сингулярности. Не забывайте, что в модели Фридмана материя распределена по Вселенной однородно, и если Вселенная закрыта, то ее пространство является сферическим. В то же время в сжимающейся Вселенной, как в сжимающемся мяче, материя стремится к сингулярности со всех сторон одинаково. В итоге все, что находится в поле зрения, сжимается в одну точку одновременно, образуя бесконечную плотность. Конечно, мы также можем представить Вселенную, которая будет менее симметричной, предположим, в форме сигары. В такой Вселенной материя будет сжиматься в разных направлениях с разной скоростью, и тогда сингулярности, возможно, не возникнет.

К сожалению, это не наш случай, поэтому все попытки рассуждать в подобном ключе оказались неудачными. Проблема сингулярности никуда не уходит. По сути, наша неспособность справиться с ней объясняется тем, что гравитация является силой притяжения, стягивающей материю к единой точке, несмотря на неровности. Убедительные теоремы сингулярности, предложенные Амалем Кумаром Райчаудхури, Роджером Пенроузом и Стивеном Хокингом в период с 1950 по 1970 год, доказывают, что при данных условиях сингулярность Большого взрыва неизбежна.

Но поскольку все теоремы основаны на неких допущениях, то, предположительно, при существовании мощной отталкивающей силы сингулярности Большого взрыва можно было бы избежать. Космологическая постоянная, или темная энергия, заставляет галактики быстрее отдаляться друг от друга, обеспечивая как раз ту силу отталкивания, которая нужна, чтобы избежать сингулярности. В таком случае наш главный вопрос будет заключаться в том, насколько велика должна быть космологическая постоянная, чтобы вызвать Большое сжатие, но при этом не быть замеченной при астрономических наблюдениях – и должна ли она в действительности быть постоянной?

Например, предположим, что расширению нашей Вселенной предшествовало тотальное сжатие, или коллапс. Поскольку фаза сжатия должна была сопровождаться повышением температуры CMBR, мы можем говорить о том, что космологическая постоянная должна была быть достаточно велика, чтобы отбросить Вселенную до того, как температура в ней достигнет миллиарда градусов – то есть за три минуты до Большого взрыва. В любом случае после отскока – то есть взрыва – невозможен был бы первичный нуклеосинтез. Следовательно, не могли бы появиться и легкие изотопы, если только они не существовали в своем нынешнем количестве еще до нуклеосинтеза. Кроме того, настолько большая космологическая постоянная заставила бы Вселенную расширяться так быстро, что галактики в ней просто не смогли бы сформироваться. Выходит, что добавление простой космологической постоянной не может избавить модель Фридмана от проблемы сингулярности.

Итак, вся хитрость состоит в том, чтобы найти нечто похожее на космологическую постоянную в момент возникновения Вселенной. Это «нечто» может напоминать потенциальную энергию с диаграммы на рис. 18 – главное, что оно должно исчезнуть прежде, чем вызовет хаос. На этот счет было выдвинуто множество предложений, причем каждое из них имело свои особенности и причины, на которых мы не будем останавливаться подробно. Хочется думать, что Большое сжатие произошло до того, как Вселенная коллапсировала до планковского размера – 10^-33см, о чем было сказано в главе 12. Полный коллапс должен был произойти на отрезке времени, также именуемом планковским, то есть за 10^-43 доли секунды до Большого взрыва.

Планковская длина и планковское время являют собой ту черту, за которой физика в известном нам виде заканчивается: меньшая длина и меньшее время просто ломают общепринятые представления о пространстве и времени. Кроме того, если мы хотим описать сингулярность и как-то с ней разобраться, нам, видимо, не удастся сделать это без теории квантовой гравитации. Квантовая механика действительно может порождать отталкивающие силы, но, как было сказано, мы еще не успели разработать теорию квантовой гравитации. С другой стороны, если сжатие началось задолго до того, как планковские величины были достигнуты, нам просто незачем обращаться к квантовой механике. В таком случае мы можем целиком положиться на классическую механику, в существовании которой нам точно не приходится сомневаться.

* * *

В последнее десятилетие некоторым авторам теорий коллапсирующей Вселенной удалось это учесть. Так же как инфляционная теория, они обращаются к новому полю, которое напоминает космологическую постоянную и вызывает сжатие и расширение. Отличие состоит в том, что, согласно этим теориям, тот самый благословенный отскок происходит примерно через 10^-35 секунды после Большого взрыва. Это довольно долгий промежуток, по представлениям физиков, предшествующий эре Планка; он предваряет и эру ТВО, в противном случае классическая механика была бы вполне адекватным инструментом.

Возможно, вы спросите, могут ли подобные модели справиться с космологическими проблемами, ради решения которых и была разработана инфляционная теория. Некоторые могут, причем делают это одинаково.

Чтобы объяснить, как им это удается, я должен буду признаться, что краткое объяснение того, как инфляционная модель справляется с проблемой плоскостности (что Вселенная просто раздулась на 27 порядков в мгновение ока, чтобы казаться плоской, как я утверждал в главе 11), – неправда (даже несмотря на то, что ее повсеместно повторяют космологи). Когда мы стоим на пляже и смотрим на океан, Земля кажется нам плоской именно потому, что горизонт находится лишь в нескольких километрах от нас – расстояние, сильно уступающее размеру Земли. Но если бы мы стояли на вершине горы, чья высота сравнима с радиусом Земли, мы бы отчетливо обозревали кривизну Вселенной.

Таким образом, плоскостность относительна, и расстояние, отделяющее нас от горизонта, всегда нужно сравнивать с размером Земли. Если горизонт много меньше радиуса Земли, Земля кажется нам плоской. Равным образом в сжимающемся космосе горизонт всегда будет сужаться быстрее, чем Вселенная, из-за чего Вселенная выглядит даже более плоской, чем перед Большим взрывом.

То же самое справедливо и в отношении теорий Большого отскока. Вселенная в момент Большого сжатия будет казаться нам все более и более плоской, ведь обозреваемые нами расстояния также будут становиться все меньше и меньше. Этот маленький, плоский кусочек пространства-времени и станет нашей Вселенной после отскока.

Проблема горизонта решается соответствующим образом. Если представить Вселенную в далеком прошлом, когда она начала сжиматься еще в предыдущем цикле, все ее составляющие должны были быть способны взаимодействовать друг с другом, потому что находились в пределах космологического горизонта. По мере того как Вселенная сжималась перед коллапсом, горизонт сжимался все быстрее, и ограниченный им маленький участок становился новой Вселенной после резкого скачка, как он делал в теории инфляции. А поскольку все частицы внутри этого небольшого клочка пространства-времени взаимодействовали еще до момента отскока, получается, что проблемы горизонта больше не существует.

В современных теориях Большого отскока поражает одна особенность – чтобы вышеописанные проблемы решались, сжатие должно происходить очень медленно, при этом фаза сжатия не обязательно будет отражением фазы расширения. В некоторых моделях Вселенная даже не обязательно должна сжиматься. Более того, как было вскользь упомянуто в предыдущей главе, экспоненциальное расширение не единственный механизм, способный создавать спектр Land O’Lakes у реликтового излучения. С точки зрения математики медленное сжатие некоторых моделей делает абсолютно то же самое.

Также не стоит забывать, что предсказанные инфляционной моделью, но не обнаруженные гравитационные волны, предположительно должны были возникнуть в результате флуктуаций, появившихся в эпоху квантовой гравитации. Но поскольку в теориях Большого отскока эта эпоха не предусматривается, то и первичных гравитационных волн в них тоже нет. Множественность вселенных, этот непослушный отпрыск квантовых флуктуаций, также не находит себе места в теориях Большого отскока.

В настоящее время гипотезы отскакивающих, или циклических, вселенных служат темой активных научных исследований. Тем не менее история учит нас, что активные области исследований могут быть оставлены и забыты в мгновение ока. Впрочем, пока еще рано окончательно решать, избавляет ли нас Большой отскок от головной боли, вызванной инфляционной теорией, поэтому на сегодняшний взгляд теория отскоков выглядят привлекательной и жизнеспособной альтернативой.

Как понять, отражают ли эти теории реальность?

14
При чем здесь квантовая гравитация?

Итак, с момента Большого взрыва прошло 10^-43 секунд. Самое время – если время что-то значит – разработать теорию квантовой гравитации. Космологи будут вынуждены это сделать, если окажется, что отскакивающие Вселенные не способны избежать сингулярности. Все же главной причиной создания теории квантовой гравитации является не столько сингулярность, сколько многовековая убежденность физиков в том, что все силы природы должны быть объединены в одну большую конструкцию – единую теорию поля.

Поскольку пока не удалось зафиксировать данные наблюдений, которые противоречили бы общей теории относительности, мы можем сказать, что она корректна настолько, насколько это возможно для научной теории. Все же общая теория относительности остается классической теорией, не учитывающей квантового феномена. Доказательства современной квантовой теории поля столь же надежны, как и у общей теории относительности, однако эта теория не включает в себя гравитацию. Споры о том, какую теорию выбрать, продолжаются до сих пор.

Физики-теоретики глубоко убеждены, что эти классические теории должны быть объединены в непротиворечивую квантовую теорию гравитации. На то, чтобы их «поженить», было истрачено около ста лет – и безуспешно. Грубо говоря, вся сложность в том, что общая теория относительности сопряжена с невероятно большими величинами, а квантовая – с невероятно малыми. Подобное объяснение вряд ли может кого-то удовлетворить, но, как однажды подметил физик Джон Уилер, самый сложный вопрос о гравитации – это вопрос, в чем вопрос.

Следовательно, нам нужно попробовать задать себе несколько фундаментальных вопросов, не пытаясь найти ответы.

Первый вопрос состоит в том, что такое квантовый феномен и на каком уровне квантовая механика и относительность должны пожениться. Термин квантовая уже успел занять видное место в нашем словаре, но, несмотря на усилия автомобильных брендов и экстрасенсов, его истинное значение остается весьма неясным. В классической физике большинство параметров какой-либо системы – например, ее энергия – может существовать в любом количестве. В то же время основной принцип квантовой механики состоит в том, что все параметры измеряются в дискретных, или квантовых, единицах – как наличные деньги представляют собой кучку монет разного номинала. Макс Планк в 1900 году выдвинул гипотезу, объясняющую спектр излучения абсолютно черного тела (мы рассматривали его в главе 5). Фундаментальным постулатом квантовой теории стало утверждение, что свет, излучаемый телом, квантован, то есть испускается и поглощается отдельными порциями, квантами, энергия которых равна целочисленным значениям частоты света, умноженным на новую природную постоянную. Эту постоянную Планк обозначил как h. Она получила известность как постоянная Планка, которая фиксирует размерность квантовых взаимодействий.

В 1905 году Эйнштейн показал, что свет не только имеет квантовую природу в планковском смысле, но и должен рассматриваться как поток порций энергии, квантов, ведущих себя как отдельные частицы. Когда Планк говорил о черных телах, излучающих свет, он на самом деле имел в виду кванты света – фотоны. Энергия фотонов вычисляется путем умножения частоты света на h. Вихри фотонов ведут себя согласованно, в результате образуя световую волну, и когда мы изучаем волны, мы не обращаем внимания на свойства отдельных квантов. Сама световая волна описывается в классической теории электромагнетизма Максвелла.

Чтобы понять, является ли теория квантовой, нужно посмотреть, не затесалось ли в ее уравнение h. Если h отсутствует, вы имеете дело с классической теорией. К примеру, вы не найдете h в уравнениях общей теории относительности, как бы хорошо ни искали. С другой стороны, общая теория относительности является классической теорией гравитации, поэтому каждое из ее уравнений содержит G – гравитационную постоянную Ньютона, определяющую мощность силы притяжения.

Вторая важная особенность квантовой механики касается знаменитого термина – корпускулярно-волновой дуализм. Свет может вести себя как частицы, а частицы могут вести себя как волны. Каждая частица обладает собственными волновыми характеристиками. В частности, она имеет длину волны, которая зависит от массы и скорости частицы, а также кратна h. Эту длину волны следует рассматривать в качестве квантового размера частицы, то есть размера частицы в тот момент, когда она ведет себя как волна. У таких субатомных частиц, как электроны, длина волны обычно очень мала и едва дотягивает до размера атома, так что в повседневной жизни заметить ее невозможно. Тем не менее в системах размером с атом вроде современных электронных устройств волновая природа материи становится крайне важной.

* * *

Теперь мы можем представить себе масштабы, при которых общая теория относительности должна соединиться с квантовой механикой (точнее, с планковской массой и планковским времени из предыдущих глав). Возможно, вы знаете, что в основе любой метрической системы, какие бы единицы она ни использовала, лежат три фундаментальные величины: масса, длина и время. Вопрос: как выбрать наиболее подходящие средства измерения?

В XIX веке физик Джордж Д. Стони утверждал, что единицы измерения лучше всего основывать на естественно сложившихся величинах вроде заряда электрона, скорости света (c) или гравитационной постоянной (G), а не на длине палки в Париже. Затем та же мысль посетила Макса Планка, в результате чего он предположил, что фундаментальные постоянные в лице G, h и c должны быть заложены в основу системы единиц, ныне известных как естественные, или планковские, единицы. Заручившись небольшим количеством терпения, вы можете объединить G, h и c и получить длину, равную 10^-33 см, временной интервал, равный 10^-43 с, а также массу, равную 10^-5 г^[24].

Очевидно, что планковская длина и планковское время невообразимо меньше всего, что вы (как и большинство физиков) могли бы помыслить. В то же время по сравнению с массой субатомных частиц планковская масса остается невероятно большой – достаточно большой, чтобы измерить ее на современных весах. Если вы умножите планковскую массу на c², вы получите планковскую энергию, объем которой приблизительно в 10¹⁵ раз превышает объем энергии, производимой Большим адронным коллайдером – самым мощным ускорителем частиц на Земле.

Что же означают все эти странные цифры? Фундаментальные постоянные – это самые важные числа во Вселенной, потому что именно они определяют область проявления всех природных сил. G устанавливает интенсивность гравитационной силы, в то время как h определяет, когда нужно учитывать квантовые эффекты. Что касается c, то ее появление свидетельствует о том, что начинают действовать факторы теории относительности, – нечто движется со скоростью, близкой к скорости света.

Вы, вероятно, знаете: черная дыра обладает столь мощным гравитационным полем, что свет не может из нее вырваться. Размеры этого поля определяются массой, G и c, и ничем больше. Размер черной дыры можно рассматривать как масштаб, на котором гравитационные силы обретают чрезвычайно важное значение. Если вы захотите найти массу частицы, чей квантовый размер (то есть длина волны) равен гравитационному размеру, вы получите планковскую массу. Планковской длиной будет служить размер этой квантовой черной дыры, а планковским временем – время, за которое через нее проходит свет.

Таким образом, планковские масштабы отображают длину, время и энергию, при которой квантовые и гравитационные эффекты одинаково важны. Эти масштабы не позволяют нам игнорировать ни гравитацию, ни квантовую механику, а значит, чтобы описать Вселенную, нам придется разработать квантовую теорию гравитации.

* * *

Но почему сделать это настолько трудно? Главным образом это связано с тем, что исходные постулаты общей теории относительности и квантовой механики сильно различаются. Квантовая механика игнорирует гравитацию, а общая теория относительности игнорирует квантовую механику. Другими словами, квантовые теории, как и специальная теория относительности, предполагают, что пространство-время всегда плоское. Напротив, общая теория относительности предполагает, что пространство-время может быть искривлено в зависимости от материи, которая его наполняет.

Здесь мы сталкиваемся с серьезной проблемой, выливающейся в чрезвычайные технические трудности. С самого момента создания квантовая механика, как и физика Ньютона, представляла собой теорию частиц. Подобно механике Ньютона, она никак не учитывала теорию относительности. Объединением квантовой механики и специальной теории относительности в релятивистскую квантовую механику мы обязаны Полю Дираку, сделавшему это в конце 1920-х годов.

Релятивистская квантовая механика изучает частицы – особенно электроны, которые считаются элементарными, точечными частицами. Поскольку точка по определению имеет нулевую протяженность, возникает сложность, когда два точечных электрона соприкасаются, из-за чего электрическая сила между ними становится бесконечной^[25].

Похожим образом энергия поля точечного электрона стремится к бесконечности в тот момент, когда сближается с другим электроном. То же происходит и с его массой, которая, согласно E = mc², должна включать в себя и энергию поля.

Усилия, призванные разрешить эти проблемы, привели к созданию квантовых теорий поля. В частности, квантовая электродинамика стала теорией, объясняющей, как электроны взаимодействуют с фотонами. Наивно было надеяться, что, если размазывать все по полям, но не подходить слишком близко к точечным электронам, подобные бесконечности – или сингулярности – просто исчезнут.

Выражаясь менее расплывчато, можно сказать, что в квантовой теории поля все взаимодействия описываются через обмены частиц, поскольку электромагнитная сила на самом деле обусловлена обменом фотонов. Такие разменные частицы принято называть виртуальными частицами, и их можно считать своего рода подтверждением флуктуаций вакуума, упомянутых в главе 8. Поскольку энергия вакуума колеблется и при этом никогда не достигает нуля, она, в соответствии с принципом неопределенности, может внезапно породить частицы, которые будут жить не дольше, чем позволяет этот же принцип (потому они и называются виртуальными). Предполагалось, что если облако виртуальных частиц окружит точечный электрон, это смягчит сингулярности.

Напрасное ожидание. Постепенно ситуация все ухудшалась – и бесконечности начали появляться повсюду. Математические методы, известные под общим названием метод ренормализационной группы, были созданы специально, чтобы разобраться с теорией бесконечностей и дать окончательные ответы. И оказалось, ответы согласуются с результатами эксперимента с такой удивительной точностью, что квантовая электродинамика часто называется самой достоверно испытанной теорией из всех когда-либо созданных.

Изначально никто не понимал, почему метод ренормализационной группы вообще работает – даже ее создатель Ричард Фейнман шутливо называл ее «фокус-покус». Сегодня метод ренормализационной группы получил более прочную математическую базу и считается необходимым для создания жизнеспособной теории поля. Если же при попытке получить разумные ответы теория не может быть преобразована с помощью этого метода, то она просто отбрасывается.

К сожалению, стандартные попытки квантовать гравитацию не только сохранили бесконечности, но даже и метод ренормализации потерпел неудачу, поэтому теория пока не дала внятных результатов.

* * *

Эта непростая ситуация привела к возникновению множества новых подходов к созданию полной теории квантовой гравитации. Простейший из них состоит в допущении, что гравитационное поле может быть описано с помощью общей теории относительности, а другие поля, например свет, надо описывать уже с помощью квантовой теории поля. Чтобы не называть такой подход дурацким, физики деликатно именуют его «полуклассическим». В любом случае можно ожидать, что и он даст свои плоды, если применять его к полям не самой высокой напряженности – примерно как у достаточно крупной черной дыры (чем крупнее черная дыра, тем слабее ее поле). Безусловно, полуклассический подход уже привел к самому известному триумфу квантовой гравитации: в 1974 году Стивен Хокинг показал, что черные дыры не являются полностью черными, а излучают энергию, которая и является теплом черных тел.

Поскольку это излучение совсем слабое, излучение черных дыр нельзя заметить напрямую. О слабости свидетельствуют данные вычислений: температура черной дыры массой в одно солнце должна составлять примерно одну десятимиллионную градуса, а температура более крупных черных дыр – еще меньше. Однако теоретические расчеты Хокинга показали, что излучение должно быть именно таким, как у абсолютно черного тела, это заставило большинство физиков немедленно согласиться с удивительным результатом.

Если черные дыры излучают энергию, они должны терять массу – а если они должны терять массу, их температура должна повышаться: чем быстрее они теряют массу, тем быстрее снижается их энергия. Эта закономерность позволила Хокингу выдвинуть предположение, что жизнь черных дыр должна заканчиваться впечатляющими взрывами. На самом деле метод Хокинга подразумевает, что гравитационное поле, а значит, и масса черной дыры не уменьшаются. Это умозрительные заключения. Потеря массы должна вызывать обратную реакцию и замедлять процесс потери энергии. По крайней мере один из коллег Хокинга утверждает, что в реальности обратная реакция вообще приостанавливает испарение задолго до взрыва звезды.

Вполне возможно, что это утверждение неверно, однако на этом примере отлично видно, насколько все сложно и насколько мы далеки от полноценной теории квантовой гравитации. Можно с уверенностью сказать, что подход Хокинга неприменим к планковскому времени.

* * *

А что в таком случае к нему применимо?

Самым популярным решением этой задачи стала теория струн, находящаяся, правда, вне поля зрения этой небольшой книжки. Теория струн претендует на роль единой теории поля, также широко известной как теория всего. Последняя не только объединяет электромагнитные и ядерные взаимодействия (как это делает ТВО), но также включает в себя гравитацию. Теория струн – это квантовая теория поля, но фундаментальными структурными блоками в ней выступают не точечные частицы, а крохотные струны, чья длина приблизительно соответствует планковской длине. Растягивание элементарных частиц в струны определенной длины действительно может решить проблему бесконечностей. Эти струны могут иметь открытые и гуляющие концы или загибаться, образуя петлю. Обычные частицы в рамках этой теории рассматриваются как обертоны вибраций струн, подобные обертонам, возникающим при звучании скрипичной струны или орга́нной трубы.

Главное различие между струнами в теории струн и обычными струнами состоит в том, что вторые существуют в нашем мире четырех измерений (одном временно́м и трех пространственных), а первые (по крайней мере, в одной из ее версий) – в десяти пространственно-временны́х измерениях (одном временно́м и девяти пространственных). По идее, дополнительные пространственные измерения должны сворачиваться кольцами, как будто вокруг цилиндра, и образовывать длину, близкую к планковской. Разумеется, эта длина так мала, что эти струны для нас незаметны.

Теории струн сопутствовала череда математических успехов. Самый громкий сопутствовал теоретикам, создавшим уравнение энтропии черных дыр (первым о ней заговорил Яаков Бекенштейн, после чего теория была развита Хокингом). Мы не будем говорить об энтропии черных дыр подробно, хотя это открытие тесно связано с пониманием того, что черные дыры все-таки имеют температуру. Теория струн также предполагает существование частицы, носителя гравитации и передающей ее другим частицам. Эта частица называется гравитон, и о ней я кратко расскажу.

Появление планковской длины в теории струн четко показывает, что эта теория на самом деле может описывать Вселенную на самом раннем этапе ее существования. В этом заключается еще одна серьезная трудность. До сих пор теория струн имеет мало общего с другими областями физики. В частности, ее не удалось подтвердить ни одним экспериментом, поставленным на Земле. Более того, версия Вселенной, включающая в себя десять измерений, основана на концепции из физики частиц, известной как принцип суперсимметрии. Это явление объединяет частицы материи вроде протонов с частицами поля вроде фотонов в более широкую группу. У нас нет экспериментальных доказательств суперсимметрии, однако результаты, полученные в ходе работы Большого адронного коллайдера, похоже, исключают все иные более простые версии.

Более того, изначально теория суперструн оказалась привлекательна тем, что лишь одна ее версия была математически последовательной. Однако в настоящее время уже выдвинуто 10⁵⁰⁰ различных версий, расширяющих набор вариантов до явления, получившего название ландшафт теории струн. Этот ландшафт напоминает мультивселенную из главы 12. Можно возразить, что любая теория, допускающая существование 10⁵⁰⁰ Вселенных, ничего на самом деле не предполагает – и это будет вполне разумным и серьезным замечанием.

* * *

Другая теория, уступающая теории струн по популярности, называется петлевой квантовой гравитацией. Она ограничивается квантованием гравитации и не претендует на роль теории всего. С теорией струн ее сближает то, что базовым элементом в ней является петля. Ее размер примерно соответствует планковской длине, но при этом петли в петлевой гравитации являются четырехмерными. Их и правда можно рассматривать не как существующие в пространстве-времени, а скорее как служащие его базовыми строительными блоками. Вычисления, связанные с петлевой гравитацией, также воспроизводят энтропию черных дыр Бекенштейна. В контексте петлевой гравитации просто бессмысленно говорить о длине и времени короче планковских длины и планковских отрезков времени. Пространство и время сами оказываются квантованными, и мы можем представить пространство-время в виде гибкой сетки, чьи ячейки имеют планковскую размерность. Пожалуй, оно также напоминает то, что задолго до появления петлевой гравитации было принято называть квантовой пеной.

До сих пор я не затрагивал еще одну важную характеристику, отличающую квантовую механику от физики Ньютона, хотя эта характеристика идет нога в ногу с принципом неопределенности. Квантовая механика является вероятностной теорией. В отличие от механики Ньютона, говорящей нам именно о том, где частицы окажутся в будущем с учетом их нынешнего расположения и скорости, квантовая механика говорит нам лишь о вероятности, с которой частица окажется в определенном месте в определенное время.

Таким образом, вполне возможно, что в планковскую эру не существовало ничего, что можно было бы определить как «один сантиметр» или «одна секунда». Квантовая пена требует вероятностных описаний, которые «кристаллизуются» в нашу Вселенную, только по окончании планковской эры.

Как квантовая теория гравитации может предотвратить сингулярность? Квантовые флуктуации создают давление, проявляющееся во многом так же, как расталкивающая сила в виде космологической постоянной. Если эта сила достаточно велика, она может действовать на Вселенную и в планковскую эру. Окончательный результат зависит от конкретной модели Вселенной, которых слишком много, чтобы перечислять. И хотя предполагается, что петлевая квантовая гравитация способна решить проблему сингулярности, ни одна теория квантовой гравитации еще не решила проблему космологической постоянной, то есть не ответила на вопрос, почему сегодня космологическая постоянная имеет ту величину, которую имеет.

Одно нам известно почти точно: чтобы быть похожей на традиционные теории поля, в которых силы передаются частицами, любая теория квантовой гравитации должна предсказывать существование гравитона – частицы, способной передавать гравитационную силу. Теория струн делает это. Хотя гравитационные волны уже обнаружены, нам так и не удалось обнаружить отдельные гравитоны – и, вероятно, не удастся. Если нейтрино взаимодействуют с обычной материей так редко, что один нейтрино может годами двигаться сквозь слои свинца до того, как с чем-то столкнется, то гравитон будет взаимодействовать с материей примерно на двадцать порядков величины реже. Это значит, что обнаружить гравитоны почти немыслимо.

Здесь перед нами встает вопрос, как подтвердить квантовую теорию гравитации экспериментальным путем. Некоторые физики склоняются к тому, что не обязательно подтверждать экспериментом каждый аспект теории. Виртуальные частицы можно рассматривать как ментальный или математический конструкт, помогающий нам представить, как работает теория поля, притом что мы не можем обнаружить эти частицы непосредственно. Куда важнее, что они предсказывают существование явлений, которые можно выявить экспериментально, таким образом подтвердив теории.

С другой стороны, если ничего из того, о чем говорит теория, нельзя обнаружить непосредственно, ее правоту может подтвердить исключительно математическая непротиворечивость. Поскольку в настоящее время теории и модели Вселенной на самом раннем этапе ее существования все дальше уходят от возможностей экспериментальных доказательств, некоторые физики говорят, что традиционные критерии одобрения теории (такие, как возможность фальсификации или доказательства неверности) больше не являются приемлемыми. Кроме того, мы должны быть готовы принять теорию, опираясь на метакритерии, такие как вероятность истинности (если эта вероятность хоть что-то означает), или даже ее гармоничность. Конечно, математическая красота долго служила силой, ведущей теорию от возникновения к принятию, однако предположения, основанные на таком иллюзорном качестве, оказывались ошибочными так же часто, как верными.

За последние десятилетия стиль и социология теоретической физики изменились настолько резко, что перед нами встает неизбежный вопрос: не утруждают ли себя космологи заведомо бессмысленными вопросами? Также неизбежно вспоминается известная еврейская поговорка: «Когда человек думает, Бог смеется».

Мы уже вступили в эру постэмпирической науки? Или это только оксюморон?

15
Мультивселенные и метафизика

Вы терпеливо откладывали вопрос о мультивселенной на последний момент. Я же все это время терпеливо его дожидался – в конце концов, без него не обходится ни одна лекция по космологии. Вряд ли я отвечу лучше, чем это сделал старейшина американской космологии Джеймс Пиблс в 2020 году во время дискуссии в Гарварде. Как думаете, он верит в существование мультивселенной?

Нет.

Конец книги. И на этот раз – серьезно.

Как правило, прессу и широкую публику очаровывают самые отчаянные фантазии – и, как правило, те же фантазии не сильно отражаются на повседневном труде космологов. Так или иначе, разговоры о мультивселенной уже больше десятилетия не теряют популярности, а тот восторг, который их сопровождает, заставляет молодых людей становиться космологами.

Как было сказано в главах 12 и 14, инфляционная теория, а также теория струн, очевидно, нуждаются в существовании мультивселенной. Что же в точности представляет собой эта многоголовая гидра? На самом деле слову «точный» нет места ни в вопросе, ни в ответе, это скорее вопрос семантики. Если понимать Вселенную как все, что вообще существует, то никаких мультивселенных просто нет. Однако в современной космологии под термином «мультивселенная» понимается скорее ансамбль субвселенных, различающихся своими свойствами. Некоторые из них плоские, но большинство – искривленные; в некоторых фундаментальные постоянные равны или почти равны значениям, полученным в ходе экспериментов, а в других они могут оказаться больше или меньше этих значений на сколько-то порядков величины; в одних есть галактики, в других – нет. Мы живем в одной из этих Вселенных^[26].

Поскольку мы, судя по всему, не можем проверить концепцию мультивселенной традиционными научными методами, бегло описанными во введении, она постепенно становится своеобразным провозвестником постэмпирической науки. Конечно, ученые уже предложили несколько способов решения проблемы, но ни один из них пока не заслужил серьезного к себе отношения. Космологи не прекращают искать темную материю, потому что ее существование подтверждается, пусть косвенными, результатами экспериментальных наблюдений, но даже не пытаются обнаружить мультивселенные, потому что у нас нет вообще никаких доказательств их существования. Именно об этом говорил канадско-американский физик, специалист по космологии Джон Пиблс, отвечая на вопросы после своей лекции.

Логично было бы спросить, почему мы живем именно в той Вселенной, в которой живем? А если конкретнее: почему мы сейчас наблюдаем Вселенную возрастом именно около десяти миллиардов лет?

Это стандартный антропный вопрос, на который Роберт Дикке дал знаменитый ответ: «Вселенная должна быть достаточно стара, чтобы в ней существовали элементы помимо водорода – как минимум нам хорошо известно, что без угля не появилось бы физиков». Другими словами, если бы возраст Вселенной не достигал хотя бы нескольких миллиардов лет, ни нас, ни наших наблюдений просто бы не было. Антропный принцип говорит нам о том, что Вселенная должна быть такой, какой мы ее наблюдаем, чтобы в ней могла существовать жизнь (ведь во Вселенной, в которой нет жизни, не будет и наблюдателей). В соответствии с антропным принципом именно возникновение жизни выделяет наш космос среди множества вселенных.

* * *

Когда в 1970-х стал популярным антропный принцип, мнения варьировались от скепсиса до насмешек. Многие физики видели в этом принципе тавтологию: совершенно очевидно, что наша Вселенная должна быть такой, какой является, именно потому, что мы в ней и живем. Аналогия, предложенная Дикке и Пиблсом, выглядит менее тривиально: например, группе космологов случайным образом раздаются заряженные и разряженные пистолеты, после чего начинается массовая игра в русскую рулетку. В заключение появляется профессиональный статистик, проводит исчерпывающий анализ и приходит к выводу: вероятность того, что выжившие космологи получили разряженные пистолеты, довольно высока.

Вы можете посмеяться и сказать, что это и так было очевидно, тем самым признав, что ситуация с русской рулеткой была проанализирована уже постфактум. Главное возражение против антропного принципа заключается в том, что он не может ничего предсказать и, следовательно, не отвечает фундаментальному требованию физической теории. В контексте массовой игры в русскую рулетку это не столь очевидно, ведь ее исход можно было предсказать. Когда же мы играем в рулетку со вселенными, мы не можем узнать заранее, заряжена определенная Вселенная или нет.

Тем не менее довольно известна история о том, как в 1953 году астроном Фред Хойл использовал антропный принцип для предсказания существования на Солнце ядерных реакций, необходимых для синтеза углерода, участвовавшего в возникновении жизни. Однако ни в одной из своих работ того времени он не затрагивал тему антропных соображений, поэтому данная история, судя по всему, родилась уже в последующие годы.

Эта ситуация отличается от той, что произошла с американским геологом Томасом Чемберленом. В XIX веке между физиками и натуралистами разгорелся серьезный спор о возрасте Земли. Дарвин полагал, что его теория подтверждала существование достаточно долгого периода развития живых организмов, необходимого для эволюции видов, но физики во главе с лордом Кельвином не готовы были поверить, что Солнце могло светить достаточно долго и излучать энергию с помощью какого-либо механизма. В 1899 году Чемберлен заявил, что аргументы Кельвина доказывают лишь то, что Солнце горит только благодаря какому-то неизвестному источнику энергии, запертому в атомах. Дарвинисты и Чемберлен оказались правы, а физики – нет. Возможно, что рассуждения Чемберлена и привели к открытию ядерных реакций на Солнце.

* * *

В последние десятилетия к антропным аргументам часто прибегали, чтобы объяснить многие особенности нашей Вселенной, хотя делалось это задним числом. Для наших целей наиболее значимыми являются те из них, что позволяют уточнить размеры отпечатков руки Бога и величину космологической постоянной. Мы уже видели, что размер флуктуаций в микроволновом фоне едва ли составляет одну стотысячную. Если бы они были сильнее, материя во Вселенной давно бы слиплась в черные дыры. Если бы были меньше – не образовались бы звезды и галактики. Разумеется, наблюдателей бы в такой Вселенной не было.

В то же время, поскольку те же самые факторы ускоряют расширение Вселенной, космологическая постоянная препятствует тому, чтобы материя объединялась в галактики. Если бы постоянная была больше, чем количество материи во Вселенной в эпоху формирования галактик, когда видимая Вселенная достигала приблизительно пятой части от ее сегодняшнего размера, никаких галактик бы так и не сформировалось. Плотность материи в тот момент была приблизительно в 125 раз выше, чем сейчас, а значит, величина космологической постоянной вряд ли могла превышать нынешние значения больше чем на 1 или 2 порядка величины.

Главное возражение против антропных аргументов всегда состояло в том, что они редко дают ответ с диапазоном «плюс-минус» меньшим, чем на порядок. С другой стороны, ограничение космологической постоянной до величины, приблизительно в десять раз превышающей ее нынешнее значение, – серьезный успех по сравнению со 120 порядками величины, вытекающими из вычислений квантовой механики, упомянутых в главе 8.

Многие физики – в том числе сторонники антропных аргументов – считают их актом отчаяния. Возможно, в эпоху, когда количественные теории постепенно становятся все более умозрительными, использование антропных аргументов действительно неизбежно. Нелепо считать, что если в теории полно сложных уравнений, она обязательно должна что-то значить. Не менее важно помнить, что антропный принцип – это принцип, а не закон природы. Многие принципы на протяжении всей истории физики помогали нам разрабатывать успешные теории. Некоторые из них оказались успешнее, чем другие. Прекрасно показал себя и космологический принцип, несмотря на то, что он, очевидно, не был до конца верен. Но как проверить принцип красоты? В физике идея красоты часто выражается через идею математической симметрии, поскольку для обеих характерны одни и те же паттерны, и хотя принципы симметрии весьма успешно показали себя в физике частиц, они, вероятно, уже себя исчерпали. Как было сказано в главе 14, Большой адронный коллайдер не подтвердил существование суперсимметрии.

Знаменитый принцип наименьшего действия является универсальным и разделяется всеми физиками. В его основе лежит идея о том, что кратчайшее расстояние между двумя любыми точками представляет собой прямую линию и что свет, например, движется по таким прямым линиям. Принцип наименьшего действия гласит, что мы можем получить уравнения для данной теории, минимизировав количество, связанное с энергией системы и известное как действие. Принцип действия произвел революцию в мире физики и лег в основу всех современных теорий. Вместо того чтобы выводить теоретические уравнения из экспериментальных данных, мы определяем действие и минимизируем его с помощью соответствующих уравнений. Эйнштейн не мог считать создаваемую им же общую теорию относительности завершенной, пока не смог вывести уравнения поля из действия^[27]. Теории квантовой гравитации также начинались с определения действия. И все же мы знаем, что иногда принцип наименьшего действия приводит к неверным ответам. Если мы просто определяем действие для совершенно новой теории, как мы можем понять, что получившиеся уравнения верны, особенно когда не можем подтвердить результаты экспериментально?

* * *

В спектре принципов, на одном конце которого принцип красоты, а на другом – принцип наименьшего действия, антропный принцип, пожалуй, будет ближе к красоте. В то же время слабая версия антропного принципа, о которой мы уже говорили, не кажется такой уж бессмысленной. Как в свое время и Дикке, она задается вопросом, почему один из наблюдаемых параметров Вселенной – ее возраст – является таким, каким является. Предположительный ответ состоит в том, что известные нам законы природы тоже, в свою очередь, работают так, как они работают. Более сильные версии антропного принципа утверждают, что законы природы должны быть именно такими. В частности, они утверждают, что фундаментальные постоянные природы вроде G и h должны соответствовать нашим измерениям потому, что в ином случае Вселенная в известном нам виде просто не могла бы существовать. Например, если бы величина постоянной сильно отличалась от той, что мы имеем сегодня, звезды во Вселенной не смогли бы сформироваться, а также, вероятно, в ней не возникла бы жизнь.

Физикам довольно трудно принять сильный антропный принцип, поскольку в нем явно прослеживаются отголоски идеи божественного замысла: существование великого часового механизма предполагает существование часовщика, который его создал. Конечно, самая сильная версия антропного принципа, известная как антропный принцип участия, требует, чтобы во Вселенной рано или поздно возникла жизнь. Как правило, физики отвергают такие идеи, упрекая их в телеологии – то есть вере в то, что все происходящее в мире служит определенной финальной цели, поскольку еще со времен Аристотеля наука развивается в направлении, противоположном телеологической аргументации.

* * *

Не прибегая к антропному принципу, мы в настоящий момент не можем выявить ни на базе теории множественных вселенных, ни на базе теории струн те вселенные, что способны породить жизнь. Безусловно, это объясняется отсутствием возможности экспериментов и наблюдений, сильно ограничивающим воображение теоретиков. Даже если нам повезет достаточно, чтобы стать развитой цивилизацией, мы не сможем воспроизводить вселенные в лабораторных условиях, проверяя возможность существования мультивселенных и правильность антропного принципа.

Возможно, мы так до конца и не поймем, что происходило в планковское время или во время, предшествующее Большому взрыву, если только новые космологические теории не позволят нам туда заглянуть. Если наши теории в конце концов не позволят нам аккуратно заглянуть за границы наблюдаемого, нам действительно придется положиться на выводы математики и такие нестрогие понятия, как вероятность и красота.

Также маловероятно, что физики когда-нибудь смогут разработать теорию всего. Не стоит понимать эту теорию слишком буквально. Даже те, кто ее разрабатывает, не утверждают, что она может объяснить, почему люди влюбляются. Даже ее более скромная цель – объединение четырех сил природы – мало говорит о том, насколько она может оказаться полезной. Хотя на пути к теории всего было сделано множество открытий, огромное количество ученых все еще считают ошибкой пытаться ее создать.

Самыми успешными теориями остаются теории узкой направленности и применимости. Знание, что происходило в первые мгновения после образования Вселенной, не поможет нам рассчитать орбиты планет. Возможно, величайшее достоинство науки как раз в позволении сказать что-то важное, не рассуждая обо всем подряд. У нас нет никаких сомнений в том, что теории всегда остаются незавершенными. Даже принятая без тени сомнения теория струн, предполагающая существование десяти пространственных измерений, оставляет без ответа вопрос, почему измерений десять. Потому что ни одна теория не может ответить на все вопросы, которые с ней связаны. Независимо от того, касаются они постоянных природы или возникновения Вселенной, всегда будет оставаться что-то, что придется дописывать на полях. Большинство космологов честно признаю́т, что их задача скорее не в том, чтобы разгадать финальные загадки природы, а в том, чтобы приблизиться к этому. В общем, вы можете спать спокойно: грядущие поколения космологов продолжат задаваться все тем же вопросом…

Почему существует что-то, а не ничто?

Примечания

1

Здесь и далее, если не сказано иное, – перевод Арсена Узбекова. – Прим. ред.

(обратно)

2

Не так давно был подтвержден феномен, названный астрофизиками эффектом Шапиро (эффектом ОТО). Замедление времени в гравитационном поле Луны было доказано с помощью специальной системы отражения лазерного луча: уголковые отражатели на Луне позволили уточнить ряд физических характеристик системы Земля—Луна. Таким образом, сегодня человечество уже научилось использовать для экспериментальных исследований планетные системы и готовится работать со звездами. –  Прим. ред.

(обратно)

3

Порядок величины – это понятие, используемое для определения относительной величины или малости физического параметра. Еcли одно число на порядок больше другого, тo, знaчит, первое в 10 paз бoльшe втopoгo, то есть зa вeличину мacштaбиpoвaния обычно бepут 10. Пopядoк вeличины чaщe вceгo пpимeняют для пpиблизитeльныx cpaвнeний, oтpaжaя cepьeзныe oтличия. – Прим. ред.

(обратно)

4

В рамках закона Ньютона сила гравитации (F) действует между двумя массами, m₁ и m₂, и выражается формулой F = Gm₁m₂ / r², где r – расстояние между массами, а G – гравитационная постоянная, ее значение может быть измерено в лаборатории. – Здесь и далее прим. авт.

(обратно)

5

Приложив некоторые усилия, ускорения и силы можно включить в специальную теорию относительности в ее нынешнем виде, но это не преобразует ее в общую теорию относительности.

(обратно)

6

МКС и космические спутники не падают на Землю, потому что их орбиты тщательно рассчитаны так, чтобы центробежная сила и гравитация уравновешивали друг друга. Расчет этих орбит – задача чрезвычайно сложная и требует учета множества факторов, таких как вращение Земли вокруг своей оси и вокруг Солнца. Центробежная сила задается при старте космического аппарата с Земли – ему придают весьма существенную скорость, чтобы он преодолел гравитацию. – Прим. ред.

(обратно)

7

«Гравитационное поле» – еще один способ обозначить ускорение, вызванное гравитацией, g.

(обратно)

8

Возможно, некоторые читатели уже поняли, что я говорю об эффекте Допплера.

(обратно)

9

Приливной горб – это выпуклость на поверхности океана, которая возникает из-за приливных сил на противоположных сторонах земного шара: одна обращена к Луне, другая – от Луны. – Прим. ред.

(обратно)

10

В 2018 году закон Хаббла переименован в закон Хаббла – Леметра, так как бельгийский священник Жорж Леметр сформулировал этот закон в 1927 году на французском языке, но с некоторыми погрешностями.

(обратно)

11

Триангуляция (от лат. triangulum – треугольник) – метод определения координат, основанный на построении на местности цепей и сетей из треугольников, связанных общей стороной. – Прим. ред.

(обратно)

12

Предположим, галактики A и C находятся друг от друга на расстоянии d; скорость, с которой C удаляется от A, равняется v. Поскольку наша резиновая лента подчиняется закону Хаббла, H = v/d. Согласно определению, скорость – это изменение расстояния за единицу времени, обычно записываемое как ∆d/∆t. Таким образом, H = (∆d/d)/∆t. Таково будет пропорциональное увеличение расстояния между галактиками за единицу времени.

(обратно)

13

Поскольку после Фридмана модель повторно открывалась еще несколько раз (в 1927 году Жоржем Леметром, в 1935-м – Говардом Робертсоном и в 1936 году – Артуром Уолкером), современные космологи обычно называют ее FLRW-Вселенной.

(обратно)

14

В этой главе я предполагаю, что космологическая постоянная равна нулю. Поскольку космологическая постоянная, весьма вероятно, на самом деле существует в нашей Вселенной (подробнее мы поговорим об этом в главе 8), предполагаемые сценарии ее развития могут быть заметно сложнее. Сферическая, «замкнутая» Вселенная может расширяться вечно, а «открытая» и похожая на чипс может «схлопнуться».

(обратно)

15

Частота вещания и длина волны – взаимозаменяемые понятия. Пока частота (f) возрастает, длина волны (λ) снижается. Соотношение между ними выражено в уравнении f×λ = c, где c – это скорость волны, равная 3×10⁸ м/с для света и около 340 м/с – для звука в воздухе.

(обратно)

16

Эпоха рекомбинации также называется разделением, что подчеркивает прекращение столкновений между протонами и материей.

(обратно)

17

Основные реакции имеют следующий вид: n+p→d; d+d→³He+n; d+d→t+p; t+d→ ⁴He+n; ³He+d→⁴He+p; d+d→⁴He, где d обозначает дейтерий и t – тритий – тяжелый водород, состоящий из одного протона и двух нейтронов.

(обратно)

18

Свободные нейтроны являются радиоактивными частицами с периодом полураспада приблизительно 10 минут. Это значит, что к началу нуклеосинтеза должно было бы распасться около 20 % свободных нейтронов. Процесс распада изображен на рис. 9.

(обратно)

19

Антипротоны и позитроны, к примеру, имеют ту же массу, что и их материальные собратья, но противоположный электрический заряд.

(обратно)

20

Превращение нейтрино определенного сорта в нейтрино другого сорта или же в антинейтрино. – Прим. ред.

(обратно)

21

Потжеби (польск. potrzebie) – польское слово, популяризированное его использованием в виде шутки в ранних выпусках журнала комиксов Mad. В 33-м выпуске Mad опубликовал частичную таблицу «Система мер и весов потжеби», основой которой является потжеби, равная толщине 26-го выпуска Mad. – Прим. ред.

(обратно)

22

Астрономы бы написали ее как 67,4 км/с на мегапарсек.

(обратно)

23

Выражаясь более конкретно, можно сказать, что отношение интенсивности звука к длине волны в кубе на октаву должно оставаться неизменным. В случае реликтового излучения «интенсивность» зависит от квадрата амплитуды флуктуаций плотности.

(обратно)

24

Планковскую массу можно записать как m_p=√hc/G; планковскую длину как l_p=√hG/c³; планковское время как t_p=√hG/c⁵.

(обратно)

25

Электрическая сила, возникающая между двумя элементарными частицами, выглядит в точности как закон тяготения – с поправкой на то, что массы меняются местами с электрическими зарядами, а G меняется на другую постоянную. Когда расстояние, r, между двумя частицами уменьшается до нуля, сила становится бесконечной.

(обратно)

26

Существует и другой тип мультивселенных, ассоциируемый с квантовой механикой. Квантовая механика не предполагает точные результаты измерений, только вероятности, с которой может быть получен тот или иной результат. Некоторые физики считают, что с каждым измерением, вмешательством наблюдателя Вселенная разделяется на варианты, в которых возможны разные версии событий. Это явление известно как многомировая интерпретация квантовой механики.

(обратно)

27

В этой гонке математик Дэвид Гилберт опередил Эйнштейна на целых пять дней.

(обратно)

Оглавление

Начало

Введение Почему существует что-то, а не ничто?

1 Гравитация, тыквы и космология

2 Специальная теория относительности

3 Общая теория относительности как основа космологии

4 Расширяющаяся Вселенная

5 Розеттский камень космологии: космический радиационный фон

6 Первичный котел

7 Темная Вселенная

8 Еще более темная Вселенная

9 Галактики существуют – и мы тоже

10 Орга́н, на котором играет Вселенная

11 Первый вывод: космическая инфляция

12 Можно ли верить инфляционной теории?

13 Сжатия и отскоки

14 При чем здесь квантовая гравитация?

15 Мультивселенные и метафизика