Джон Гриббин - 13,8. В поисках истинного возраста Вселенной и теории всего

13.8

THE QUEST TO FIND THE TRUE AGE OF THE UNIVERSE AND THE THEORY OF EVERYTHING

JOHN GRIBBIN

Научный редактор Игорь Красиков

Издано с разрешения John and Mary Gribbin Partnership in association with David Higham Associates

Правовую поддержку издательства обеспечивает юридическая фирма «Вегас-Лекс»

© John and Mary Gribbin, 2015.

© Перевод на русский язык, издание на русском языке, формление. ООО «Манн, Иванов и Фербер», 2016

Интерстеллар

Кип Торн

Квантовая вселенная

Брайан Кокс, Джефф Форшоу

Почему E=mc²?

Брайан Кокс, Джефф Форшоу

Из космоса границ не видно

Рон Гаран

Удовольствие от x

Стивен Строгац

Вселенная имеет начало. Происхождение всего, что мы видим вокруг: звезд, планет, галактик, людей, можно проследить до конкретного момента в прошлом, отстоящего от нас на 13,8 млрд лет назад. Наше поколение стало свидетелем события, когда на главный вопрос, в течение тысячелетий мучивший философов, теологов и ученых, был получен ответ. На то, чтобы идея возникновения Вселенной в конкретный момент времени из гипотезы (не менее, но и не более вероятной, чем идея вечной и бесконечной Вселенной) стала доказанным фактом, ушло почти полстолетия, считая с середины 1960-х годов, когда было открыто реликтовое излучение [1] Реликтовое, или космическое микроволновое фоновое, излучение, – равномерно заполняющее Вселенную тепловое излучение, возникшее в эпоху первичной рекомбинации водорода. Прим. ред. {1} 1 Лучший рассказ об истории исследований этого вида излучения содержится в книге Родри Эванса The Cosmic Microwave Background: How It Changed Our Understanding of the Universe (Springer, 2015). . С помощью данных космических обсерваторий, в частности спутника «Планк», ученым удалось чрезвычайно точно измерить возраст Вселенной. Но, отмечая этот научный триумф, мы часто забываем, что у всего есть обратная сторона. Именно она делает открытие начала Вселенной столь захватывающим.

Наиболее важный в науке факт заключается в том, что теория микромира (квантовая теория) в точности согласуется с теорией макромира (космологией, или общей теорией относительности), даже несмотря на то, что они развивались независимо друг от друга и что никому до сих пор не удалось соединить их в единую систему – теорию квантовой гравитации. Но уже то, что по отдельности они дают правильные ответы на одни и те же вопросы, подсказывает нам, что вся физика как таковая (и, по сути, вся наука) находится на верном пути. Все сходится.

Что это за главный вопрос? Откуда мы знаем, что теории согласуются? Дело в том, что возраст Вселенной, вычисленный космологами – 13,8 млрд лет, – ненамного больше возраста звезд, определенного астрофизиками. Но, несмотря на то что об этом фундаментальном открытии впору кричать на всех углах, на него мало обращают внимание. Я постараюсь восстановить справедливость.

Последние события в мире науки проливают свет на то, почему была забыта значимость этого совпадения возрастов. Я решил написать эту книгу весной 2013 года, когда в заголовках СМИ появились данные со спутника «Планк». Все писали, что, оказывается, Вселенная старше, чем мы думали. Космологов тогда это возмутило. Да, возраст Вселенной был увеличен, но всего с 13,77 до 13,82 млрд лет, меньше чем на полпроцента (а потом еще и скорректирован до 13,80 млрд лет)! Однако самое важное в этих данных то, что мы вообще сумели узнать ее возраст с такой потрясающей точностью. Поколение наших отцов (хотя они уже знали, что Вселенная имеет начало) могло лишь сказать, что ей примерно между десятью и двадцатью миллиардами лет. Но и точность новейших измерений – только половина научной важности этого открытия как для физики, о которой преимущественно и пойдет речь в книге, так и для других наук (философскую и религиозную стороны вопроса я здесь не затрагиваю).

Судя по возрасту самых старых звезд, они лишь немногим моложе Вселенной. Если этот факт сам по себе недостаточно впечатляет, представьте, что подумали бы ученые, если бы все было наоборот: если бы звезды оказались старше Вселенной! Это значило бы, что по крайней мере одна из двух их любимых теорий – квантовая физика или общая теория относительности – неверна.

Впрочем, не стоит даже представлять себе, что подумали бы ученые в таком случае. Согласование возрастов, о котором я упомянул, стало результатом процесса, начавшегося сразу после Второй мировой войны, то есть – так уж совпало – длившегося всю мою жизнь. Я не только работал в одном из научных коллективов, занимавшихся измерением возраста Вселенной, но и лично знал многих участников этого процесса. Когда я был ребенком, астрономы были уверены, что звезды действительно старше Вселенной. Это было одной из основ модели стационарной Вселенной, воспринимаемой бесконечной и практически неизменной во времени и пространстве. Далее я расскажу, как от этого явного противоречия 1940-х годов удалось прийти к современному согласованию данных, в том числе насколько значимыми оказались результаты наблюдений спутника «Планк», и вы поймете, почему все это так важно. Одновременно я введу вас в курс дела, рассказав историю космологии и астрофизики. Начну с открытий XIX века, указавших путь к пониманию природы звезд и Вселенной, – к самому важному факту.

Полвека назад, в 1965 году, американские астрономы Арно Пензиас и Роберт Вильсон [2] Арно Пензиас (р. 1933) – американский астрофизик, профессор, лауреат Нобелевской премии по физике (1978) за открытие космического микроволнового фонового излучения. Роберт Вильсон (р. 1936) – американский физик, лауреат Нобелевской премии по физике (1978) за открытие космического микроволнового реликтового излучения. Прим. ред. сообщили, что им случайно удалось уловить слабый радиошум, поступающий из всего космического пространства. Тогда они еще не знали, что это космическое микроволновое фоновое, или, как его еще называют, реликтовое, излучение было более чем за десять лет до этого описано в рамках модели возникновения Вселенной в результате Большого взрыва Георгием Гамовым [3] Георгий Гамов (1904–1968) – советский и американский физик-теоретик, астрофизик и популяризатор науки. Прим. ред. и его коллегами. По удивительному совпадению в том же году другой коллектив астрономов под руководством Джима Пиблса [4] Джим Пиблс (р. 1935) – канадский и американский физик, работающий в области теоретической космологии. Прим. ред. самостоятельно (не зная о выводах группы Гамова) пришел к идее существования такого излучения и даже начал строить детектор для его поиска.