Брайан Китинг - Гонка за Нобелем. История о космологии, амбициях и высшей научной награде

Проблема горизонта. Температура реликта была почти одинакова повсюду — не только в соседних регионах, но и в тех, что расположены на противоположных сторонах неба. Эти регионы соответствовали участкам Вселенной, которые находятся друг от друга на гораздо большем расстоянии, чем расстояние, которое успел бы преодолеть свет с момента Большого взрыва (рис. 30). Отдаленные регионы космоса имели одинаковую температуру, несмотря на то что никогда не сближались достаточно, чтобы их температура уравновешивалась.

Это необъяснимое наблюдение стало известно как проблема горизонта . Наверное, вы думаете, что «горизонт» подразумевает «край», а это, в свою очередь, означает, что у Вселенной есть «центр»… и мы находимся как раз в нем! Но здесь под «горизонтом» космологи понимают максимальное расстояние, на которое могут быть удалены друг от друга два события, чтобы свет от них успел дойти до наблюдателей на Земле.

Чтобы понять, насколько важна эта проблема, представьте себе магазин бытовой техники, который никогда не закрывается и продает только один товар — мини-печь с фиксированной температурой в 500°. Недостаток разнообразия магазин компенсирует количеством: на его полках стоят тысячи таких мини-печей, и к каждой приставлен свой продавец. Работа продавцов очень проста: они могут только включать и выключать мини-печи, но имеют право делать это, когда захотят.

Температура во включенной печи в какой-то момент достигает 500°. При выключении температура будет промежуточной между максимальной и комнатной, в зависимости от того, сколько времени назад печь была выключена.

Какой температуры можно ожидать, если зайти в магазин? Логично предположить случайное распределение температур между комнатной и 500°. Представьте свое удивление, когда вы обнаружите, что все мини-печи имеют одинаковую температуру, скажем 272° плюс-минус 0,005°! Как объяснить такое явление? Оно явно не может быть случайным. Выглядит как тайный сговор. Но даже если так, то продавцам пришлось бы синхронизировать длительность работы каждой печи и точное время выключения. Подобный сговор потребовал бы практически мгновенного согласования действий продавцов по всему огромному магазину.

Теория Большого взрыва объясняла подозрительное совпадение тем, что первичная Вселенная была почти идеально однородной и осталась таковой, даже когда расширилась более чем на 90 млрд световых лет. Это было неудовлетворительное объяснение — очередная констатация факта, не поддающегося проверке, и такое же проклятие для космологов, как начало Вселенной.

Проблема плоскостности. Если внимательно посмотреть на поверхность конского седла или футбольного мяча, можно заметить две основные особенности: 1) они изогнуты в большом масштабе; 2) имеют множество неровностей на поверхности в малом масштабе. Математики называют такую изогнутость и неровности кривизной.

Принято говорить, что мяч имеет положительный радиус кривизны, можно сказать, что он выгнут наружу, или выпуклый. И наоборот, седло имеет отрицательный радиус кривизны, кривая обращена внутрь, и ее можно назвать вогнутой. Плоская поверхность, такая как лист бумаги, имеет бесконечно большой радиус кривизны, что фактически эквивалентно ее отсутствию. Как уже упоминалось выше, в 1992 году в ходе эксперимента COBE были обнаружены небольшие вариации яркости космического микроволнового фона. Эти флуктуации были вызваны неравномерным распределением материи/энергии в первичной плазме, которые создавали рябь на ткани пространства-времени. Но в 1992 году не было известно, «изогнута» ли Вселенная в большом масштабе. И если изогнута, является ее радиус кривизны положительным (как у мяча) или отрицательным (как у седла)? Или он бесконечен, как у плоского листа бумаги?

Существует простой способ измерить кривизну поверхности — нарисовать треугольник и сложить величины его внутренних углов. Две тысячи лет назад Евклид доказал, что, если нарисовать треугольник любого размера на плоском папирусе и посчитать сумму его углов, она всегда будет равна 180°. Но в треугольнике, нарисованном на поверхности с положительной кривизной, такой как поверхность земного шара, сумма углов будет превышать 180°. Представьте, что вы находись в столице Эквадора Кито, расположенной на экваторе. Оттуда вы отправляетесь точно на восток, на противоположную сторону планеты в Куала-Лумпур, Малайзия. Далее вы едете на Южный полюс, а затем возвращаетесь обратно в Кито. Сумма внутренних углов этого треугольника составит почти 360° — в два раза больше, чем на плоской поверхности. Таким образом, с помощью обычного треугольника можно измерить кривизну двумерной поверхности. На протяжении многих лет астрономы проводили похожие измерения, используя в качестве углов треугольника планеты, звезды и даже целые галактики. И всякий раз они не находили никаких свидетельств кривизны Вселенной (рис. 31).

Эти треугольники были относительно небольшими, по космическим меркам по крайней мере. Чтобы измерить кривизну всей Вселенной, нужен треугольник, у которого хотя бы одна из сторон простирается максимально далеко от Земли, т. е. заканчивается в точке, которая существовала сразу после Большого взрыва. Такой треугольник с максимально удаленной вершиной и известной длиной стороны мог стать космической линейкой, позволяющей измерить радиус кривизны Вселенной.

Оказалось, что такие «стандартные линейки» существовали; это были мелкомасштабные колебания — звуковые волны, которые распространялись через плазму, создавшую реликтовое излучение, и трансформировались в температурные вариации с угловым масштабом на небесной сфере порядка 1° {3} . Это были самые большие структуры, которые могли сформироваться в ранней Вселенной, — линейки, равные по длине возрасту Вселенной, умноженному на скорость звука. Если вернуться к рис. 30, то размер этих линеек был равен диаметру маленьких кругов. Эти колебания были обнаружены через восемь лет после эксперимента COBE в ходе эксперимента BOOMERanG и немедленно использованы для измерения кривизны Вселенной. Оказалось, что радиус кривизны бесконечен, т. е. наша Вселенная — плоская. Какой бы большой треугольник вы ни нарисовали, сумма его углов всегда будет равна 180° (рис. 32).

Как и результаты COBE, результаты BOOMERanG опрокидывали прежние представления. Наша Вселенная не могла быть плоской. Плоскостность неустойчива, а это означает, что, если только Вселенная не была идеально плоской с самого начала, ее расширение должно было значительно увеличить любую, даже крошечную, кривизну. Однако наблюдаемая сегодня почти нулевая пространственная кривизна Вселенной предполагает, что всего за одну наносекунду после Большого взрыва Вселенная достигла так называемой «критической плотности» — состояния, когда количество материи в среднем составляет 447 225 917 218 507 401 284 016 граммов на кубический сантиметр {4} . Если бы плотность одного кубического сантиметра Вселенной была выше этого параметра на один грамм, она была бы слишком плотной, чтобы избежать коллапса.