Питер Эткинз - Десять великих идей науки. Как устроен наш мир.

В-третьих, в облике Вселенной есть нечто очень странное. На самом деле, этот облик странен вдвойне. Одна странность заключается в том, что Вселенная содержит такое количество вещества, которого почти хватает для указания на то, что она находится в точности на границе, отделяющей вечное расширение от Большого Хлопка. Иначе этот критерий выражается утверждением, что Вселенная имеет почти критическую плотность . Другой странностью является то, что Вселенная, по-видимому, содержит не вполне достаточное количество вещества: современные оценки количества вещества во Вселенной дают величину, всего на 1 процент не дотягивающую до критической плотности. Существуют весьма веские теоретические причины верить, что разность между наблюдаемой плотностью и критической плотностью возрастает по мере расширения Вселенной и что сейчас, через 15 миллиардов лет после начала, эта разность увеличилась в огромное число раз. Например, если бы разность была всего одна десятитысячно-триллионная (10 16), когда возраст Вселенной составлял 1 секунду, то разность сегодня стала бы огромной, а не выражалась бы просто множителем между десяткой и сотней. Это требование является даже более строгим по мере движения назад во времени. Для плотности, которая все-таки близка к критической величине теперь, после одного тиканья планковских часов разность не могла бы превосходить 10 60! Приведенные примеры настойчиво заставляют предполагать, что плотность при рождении Вселенной была в точности равна своей критической величине и сохранила это значение до сих пор. Это ужасное подозрение называется проблемой плоскости Вселенной и является частью более общей проблемы тонкой настройки . Проблема тонкой настройки продолжает озадачивать космологов, и тех из них, кто настроен более сентиментально, заставляет полагать, что все должны увериться в том, что плотность была изначально в точности критической и что различным другим параметрам в первоначальной спецификации Вселенной следует приписать особые, специфические и предельно (для нас) милосердные значения.

Смежная проблема заключается в том, что уж очень удивительно было бы обнаружить, что мы живем как раз в ту эпоху, когда плотность приблизилась к своей критической величине. Гораздо более правдоподобно, что плотность всегда принимала и теперь продолжает принимать в точности критическое значение. Если это так, то из того факта, что измеренная плотность значимо меньше критической, следует, что мы не обнаруживаем все вещество во Вселенной. Существует и другое свидетельство справедливости такого заключения, вытекающее из скорости вращения галактик, которое предполагает, что они содержат гораздо больше вещества, чем мы можем увидеть, считая звезды, а текущие оценки плотности определяют ее как величину, по крайней мере на 20 процентов меньшую своего критического значения. Где и какова эта темная материя! Простейший ответ в том, что из нее состоят трупы старых, мертвых звезд. Если бы они составляли темную материю, на каждую звезду размером примерно с Солнце приходилось бы тысяча или более тел размером с Юпитер. Наблюдали ли мы до сих пор этот жужжащий улей? По крайней мере, эти тела имеют название, что нередко является первым шагом к существованию: каждый из них есть массивный астрофизический компактный объект гало [41]. Альтернативным объяснением, неизбежно, является существование слабо взаимодействующих массивных частиц [42]. Последние являются частицами, взаимодействующими с веществом столь слабо, что мы можем обнаружить их. только по их гравитационному притяжению или слабому взаимодействию. Одним из кандидатов на их место раньше считались нейтрино, если они имеют массу, но это предположение теперь представляется маловероятным, поскольку нейтрино почти свободно пересекают пространства галактик и являются источником слишком многих структур на много больших масштабах. Более экзотическим кандидатом является одна из «частиц», не открытых, предполагаемых, умозрительных суперсимметричных партнеров известных частиц (глава 6). Каково бы ни было решение, для ученых является отрезвляющей мыслью то, что они еще не идентифицировали наиболее распространенную форму вещества во Вселенной.

Четвертой проблемой Большого Взрыва является то, что до сегодня не обнаружено ни одного «магнитного монополя». Мы знакомы с бруском магнита, у которого есть северный и южный полюса. Магнитный монополь — это один из этих полюсов без другого. Если электричество и магнетизм являются двумя сторонами одной силы, почему магнитные монополи всегда ходят парами и никогда, как электрические монополи (заряды), не встречаются поодиночке. В модели Большого Взрыва начальные бурные события создают такое напряжение, что в пространстве-времени возникает большое число дефектов — трещинок, дырок, складок, плохо склеенных кусков, с точечными трещинками, являющимися магнитными монополями. Теория Большого Взрыва предсказывает существование большего числа монополей, чем обычного вещества, но ни одного — ни одного! — до сих пор не найдено.

Пятой проблемой является уже упоминавшаяся крупномасштабная структура Вселенной, представленная на рис. 8.5, с галактиками, группирующимися вокруг пустот размерами в сотни миллионов световых лет. Там мы видели, что эта структура есть сильно увеличенная версия комковатости первичной Вселенной, когда ее масштаб, в сравнении с наблюдаемым сегодня, был немногим больше бесконечно малой точки. Но почему эта точка была комковатой вначале и почему, в свою очередь, комковатость, которой она обладала, стала такой, какую мы видим сегодня? Эта проблема лежит полностью за пределами возможностей теории Большого Взрыва. Мы не можем утверждать, что понимаем нашу Вселенную, если у нас нет ни малейшей идеи о происхождении крупнейших объектов в ней!

Эти пять проблем — происхождение расширения, проблема горизонта, проблема плоскости, проблема отсутствия монополей и наличие крупномасштабной структуры — весьма серьезны. Однако теория Большого Взрыва так успешна в других отношениях, что было бы трудно отказаться от нее. Конечно, эксперименты действительно подтверждают, что Вселенная проходила очень горячую фазу и с тех пор расширяется. Ответ должен лежать в событиях, происходивших в самые ранние моменты Большого Взрыва, событиях, предшествовавших тем, что рассматривались до сих пор (но все еще по эту сторону от абсолютного начала). Теорией, принимаемой на сегодняшний день, является теория раздувания (иначе, инфляции).

Раздувание — это необычное расширение. Раздувание — это очень быстрое расширение. Вы могли к этому моменту заметить, что я не слишком легко использую слово «очень», а слово «очень» и подавно. В этом случае я имею в виду расширение со скоростью, превосходящей скорость света. В действительности, я имею в виду гораздо больше, чем это. Не тревожьтесь о том, что нечто происходит быстрее, чем может двигаться свет: в концепции сверхсветового расширения нет никаких особых трудностей, поскольку расширяется сам масштаб пространства; распространение сигнала через это пространство мы не рассматриваем. В сценариях раздувания (их несколько вариантов, каждый построен на некоторой центральной идее) нечто — мы еще вернемся к нему — включается через 10 −35секунды после начала. Затем действие начинается. Каждые следующие 10 − 35секунды размер Вселенной более чем удваивается [43]и продолжает более чем удваиваться каждые 10 −35секунды до выключения раздувания примерно через 10 − 32секунды, время 100-кратного более-чем-удвоения. Посмотрим, что это значит в более человеческих терминах. Пусть начальный размер равен 1 см. Одно более-чем-удвоение дает нам 2,7 см. Два увеличивают до 7,4 см. Три до 20 см. После десяти достигаем 220 метров. Через двадцать получаем 4852 километра. К пятидесяти имеем 5480 световых лет (вспомним, что прошло 5×10 − 34секунды). Вдвое больше более-чем-удвоений объемлют галактику. Немного больше еще — локальную группу галактик. После более чем 100 более-чем-удвоений первоначальный объект вырастает в 10 43раз. В некоторых версиях раздувания расширение даже больше, порядка числа 10, умноженного на самого себя триллион раз, или 10 1 000 000 000 000. Это огромное, действительно огромное увеличение, происходящее за 10 − 32секунды!