Макс Тегмарк - Наша математическая вселенная

Другой поразительный урок точной космологии состоит в том, что она неполна. Мы видим, что всё наблюдаемое во Вселенной порождено Большим взрывом, при котором почти однородный газ, столь же горячий, как ядро Солнца, расширялся столь быстро, что удваивался в размерах менее чем за секунду. Но кто всё это устроил? Я люблю размышлять над «проблемой Большого взрыва»: что сделало Большой взрыв — взрывом? Откуда появился горячий расширяющийся газ? И почему в нём были учтены эти 0,002 % — амплитуда первичных флуктуаций, которые превратились в галактики и крупномасштабную структуру, наблюдаемую в современной Вселенной? Короче, как всё это началось? Экстраполяция в прошлое фридмановских уравнений расширяющейся Вселенной приводит к проблемам, а значит, для понимания наших истоков требуются совершенно новые идеи. Об этом мы и поговорим в следующей главе.

• Новейшие данные о космическом микроволновом фоне, кластеризации галактик и т. д. превратили космологию в точную науку. Так, мы перешли от споров о том, составляет возраст Вселенной 10 или 20 млрд лет, к спорам о том, составляет он 13,7 или 13,8 млрд лет.

• Эйнштейновская теория гравитации определённо стала рекордсменом по математической красоте среди физических теорий, объяснив гравитацию как проявление геометрии. Она показывает, что чем больше массы содержится в пространстве, тем сильнее пространство искривляется. Кривизна пространства заставляет предметы двигаться не по прямым линиям, а по кривым, закручивающимся в сторону массивных объектов.

• Путём изучения геометрии треугольников размером со Вселенную теория Эйнштейна позволяет определить общее количество массы во Вселенной. Удивительно, но на атомы, которые считались составными частями всего сущего, приходится всего 4 % этой массы, а остальные 96 % остаются необъяснёнными.

• Недостающая масса призрачна, будучи одновременно невидимой и способной незаметно проходить сквозь нас. Её гравитационное влияние указывает на то, что она состоит из двух обладающих противоположными свойствами субстанций: тёмная материя кластеризуется, а тёмная энергия — нет; тёмная материя разрежается при расширении, а тёмная энергия — нет; тёмная материя притягивает, а тёмная энергия отталкивает; тёмная материя помогает образовываться галактикам, а тёмная энергия — мешает.

• Точная космология открыла, что с момента рождения Вселенной ею управляют простые математические законы.

• Как ни была бы красива классическая модель Большого взрыва, она не годится для самых первых мгновений жизни Вселенной, а значит, для понимания истоков нам предстоит найти другие важные части головоломки.

«О, нет! Он засыпает!» В 1997 году я делал доклад в Университете им. Тафтса. Легендарный Алан Гут специально приехал из Массачусетского технологического института, чтобы меня послушать. Я не встречался с ним прежде, и присутствие в аудитории такого светила заставляло меня гордиться и нервничать. В основном нервничать, особенно когда его голова начала клониться на грудь, а взгляд стал отсутствующим. Я постарался говорить бодрее и громче. Несколько раз он вскидывался, но вскоре я потерпел фиаско: он отправился в царство снов и не возвращался до конца доклада. Я чувствовал себя опустошённым.

Лишь много позднее, когда мы стали коллегами по Массачусетскому технологическому институту, я узнал, что он засыпает на всех докладах (кроме собственных). Сказать по правде, мой аспирант Адриан Лю говорит, что такое стало случаться и со мной. И с ним самим тоже. Но я этого никогда не замечал, поскольку мы трое отключаемся в одном и том же порядке. Если Алан, я и Адриан сидим рядом, то воспроизводим дремотную версию «волны», популярной у футбольных болельщиков.

Рис. 5.1.Андрей Линде ( слева ) и Алан Гут ( справа ) на шведском фестивале раков. Они не в курсе, что я их фотографирую и что им, двум главным архитекторам теории инфляции, придётся одеться иначе для церемонии награждения престижными премиями им. Грубера и Мильнера.

Алан настолько же дружелюбен, насколько и умён. Аккуратность, правда, не относится к сильным его сторонам: когда я впервые появился у него в кабинете, то обнаружил на полу толстый слой нераспечатанной корреспонденции. Выбрав наугад конверт, я увидел штемпель десятилетней давности. В 2005 году достижения Алана в этой области были удостоены престижной премии за самый захламлённый кабинет в Бостоне.

Но эта премия — не единственное достижение Алана. Около 1980 года он узнал от физика Боба Дикке, что во фридмановской модели Большого взрыва существуют серьёзные проблемы с самыми ранними стадиями, и предложил радикальное решение, которое назвал инфляцией . [16]Экстраполяция фридмановских уравнений расширяющейся Вселенной назад во времени приводит к огромным успехам: они отлично объясняют, почему далёкие галактики разбегаются от нас, и откуда взялся фон космического микроволнового излучения, и как возникли лёгкие элементы и многие другие наблюдаемые явления.

Вернёмся в прошлое, к границе нашего знания, к тому мгновению, когда Вселенная расширялась столь быстро, что в следующую секунду её размеры удвоились. Уравнения Фридмана говорят нам, что до того Вселенная была ещё плотнее и горячее, и этому нет предела. И, в частности, примерно на 1/3 секунды ранее имело место начало, когда плотность нашей Вселенной была бесконечной и всё существующее разлеталось друг от друга с бесконечной скоростью.

Вслед за Дикке Алан Гут тщательно изучил эту историю возникновения нашего мира и понял, что она страшно неестественна. Например, на четыре вопроса из числа приведённых в начале гл. 2 она даёт такие ответы:

– Что стало причиной нашего Большого взрыва?

— Объяснения этому нет. Уравнения просто учитывают, что это случилось.

– Произошёл ли наш Большой взрыв в одной точке?

— Нет.

– Где именно в пространстве произошёл наш Большой взрыв?

— Он случился везде, сразу в бесконечном множестве точек.

– Как бесконечное пространство может быть порождено за конечное время?

— Объяснения этому нет. Уравнения просто учитывают, что пространство было бесконечным уже в момент его появления.

Можно ли сказать, что эти ответы раскрывают суть дела и элегантно снимают все вопросы о Большом взрыве? Если нет, то вы в хорошей компании! На самом деле есть ещё много вещей, которые фридмановская модель Большого взрыва не может объяснить.