Борис Штерн - Прорыв за край мира

Почему где-то за красным смещением 6 (что соответствует возрасту Вселенной 900 млн лет) заполняющий космос газ частично нейтрален (целиком нейтральным он становится при z ~ 10, см. главу 32), а потом — ионизован? Эволюция молодой Вселенной дает ясный ответ: это сделали первые звезды и квазары, которые чуть раньше зажглись во Вселенной, — их ультрафиолетовое излучение ионизовало водород.

Так мы прослеживаем историю Вселенной до возраста 700 млн лет и видим, как она менялась в полном соответствии с теорией Большого взрыва. Дальше мы перепрыгиваем через темные века на отметку 380 тыс. лет, когда Вселенная имела температуру три тысячи градусов и плотность в миллиард раз больше, чем сейчас. Это эпоха рекомбинации, о которой рассказано выше. Здесь опять всё точно соответствует теории: реликтовое излучение, его температура, его спектр.

На этом мы пока остановимся. Карта реликтового излучения поведет нас дальше, гораздо ближе к истокам. Но это уже будет не предыстория, а история, которой посвящена книга.

Практика, конечно, не единственный критерий истины, но, пожалуй, самый убойный.

Человек, исследующий далекую Вселенную с помощью данных, добытых самыми разнообразными инструментами, пользуется теорией расширяющейся Вселенной, где Большой взрыв накрепко «зашит», примерно так же, как мореплаватели пользовались секстантом и хронометром. И если внезапно спросить исследователя: «А ты уверен, что Большой взрыв был на самом деле?» — он посмотрит и ответит примерно так же, как капитан времен Джеймса Кука, если бы его спросили: «А ты уверен, что Земля — шар?»

В этой части описывается драматическая ситуация в космологии, которая сложилась к концу 1970-х годов: научное сообщество давно было убеждено в том, что Вселенная произошла в результате Большого взрыва, но отсутствовало решение ряда фундаментальных вопросов и парадоксов. Да и сам «приводной механизм» Большого взрыва оставался непонятым — это давало простор для рассуждений о божественном творении Вселенной в модернистском варианте. Но в ту же декаду стали появляться первые догадки о естественном механизме, послужившем решением самых трудных вопросов космологии.

Парадигма вечной бесконечной Вселенной господствовала около трех веков и не выдержала нескольких простых недоуменных вопросов. Концепция Большого взрыва и расширяющейся Вселенной родилась в 1920-х годах, постепенно утвердилась, а в 1960-х была окончательно подтверждена открытием реликтового излучения. Но при этом в ней остались очевидные дыры. Как и в первом случае, эти дыры имели форму простых, почти детских вопросов, на которые не было ответа. Вот основные из этих вопросов:

1. Вселенная удивительно велика и динамически сбалансирована. Чтобы она не «схлопнулась» в первые секунды своего существования или не разлетелась так, чтобы один атом был от другого за много световых лет, скорость расширения и плотность в первые мгновения должны быть сбалансированы с невероятной точностью. Или, что то же самое, пространственная кривизна должна быть ничтожно малой по сравнению с постоянной Хаббла, деленной на скорость света. Начальные условия требуется подогнать гораздо точнее, чем при таком броске мяча на Останкинскую башню, чтобы он мягко сел на ее верхушку и остался там в равновесии. Что дало такую точность?

2. Вселенная всюду одинакова на миллиардах световых лет. Между тем, в первые мгновения Вселенной разные области, которые мы сейчас наблюдаем, «ничего не знали» друг о друге — не были причинно связаны. Иными словами, не хватало времени, чтобы со скоростью света передать сигнал от одной области наблюдаемого пространства к другой. Что так согласовало параметры Большого взрыва в причинно не связанных областях пространства?

3. У Вселенной огромная энтропия, что на бытовом языке можно выразить, как огромное число частиц (большинство из которых — реликтовые фотоны и нейтрино). В наблюдаемой части Вселенной их 10 90. Откуда взялось это содержимое?

4. Наконец, что же послужило начальным толчком для Большого взрыва?

Есть еще один вопрос, который поначалу казался не столь фундаментальным. Поэтому мы его оставляем вне пронумерованного списка. Этот вопрос встал ребром позже. Вселенная однородна на больших масштабах. Но чтобы смогли образоваться галактики и их скопления, должны существовать первичные неоднородности. Откуда они взялись?

И еще раньше встал вопрос, с виду философский, но на самом деле имеющий глубокую научную подоплеку. Есть ряд физических постоянных, значения которых вроде бы ниоткуда не следуют. Но если мы попытаемся представить мир, где какая-нибудь из этих констант немного изменена, жизнь в таком мире оказывается невозможной: не образуются атомные ядра, не горят звезды и т.п. Что так подогнало значения констант, чтобы мы могли существовать?

Это такие вопросы, которые греют душу религиозным философам, приветствовавшим новую космологию. Действительно, место-имение «что» в этих вопросах так и просится быть замененным на «Кто» — именно с большой буквы. Однако физики, которые не нуждаются в гипотезе Бога, воспринимают подобные вопросы как чисто профессиональный вызов. Вызов был принят, и к концу 1970-х годов ученые разных областей науки разработали достаточно крепкое снаряжение, чтобы совершить прорыв через намечающийся тупик.

Одним из ключевых достижений, предваряющих прорыв, стало лучшее понимание того, что есть вакуум.

Вернемся к повествованию о жителях океана Европы. Здесь мы нарушим европианскую хронологию, вернувшись в эпоху, предшествующую изобретению гироскопа, ради того, чтобы следовать земной хронологии, которая имела иную последовательность событий.

Еще задолго до открытия шарообразности своего мира, европиане научились пользоваться гидравликой для передачи и трансформации усилий в разнообразных механизмах. Как и у нас: цилиндры, поршни, трубки. По этой причине они хорошо понимали, что такое давление, что вода передает его одинаково по всем направлениям. А если тянуть за поршень, создается отрицательное давление, тоже одинаковое по всем направлениям, передаваемое, якобы, за счет сил сцепления воды. А нулевым давлением, по их мнению, было то, что есть в их родной среде обитания.

Жил-был мастер-гидравлик, изготовлявший и ремонтировавший трансмиссии рулевого управления винтовых судов. Однажды во внеурочное время к нему в ангар явился заказчик по поводу заклинившего поршня на его старом плоскокорпусном сыпогрузе «Стремительный».