Йэн Стюарт - Математика космоса [Как современная наука расшифровывает Вселенную]

Теория предсказывает, что реликтовое излучение не должно быть в точности одинаковым во всех направлениях. В нем должны быть очень маленькие флуктуации, порядок величины которых оценивается в 0,001–0,01 %. В 1992 году аппарат NASA под названием COBE (Cosmic Background Explorer — Исследователь космического фона) измерил эти неоднородности. Более подробно их структуру выявил зонд WMAP. Полученные подробности стали основным средством сравнить реальность с предсказаниями из различных вариантов теории Большого взрыва и других космологических сценариев.

Несколько лет назад, когда мы с семьей путешествовали по Франции, мы обратили внимание на забавную вывеску — Restaurant Univers (ресторан «Вселенная»). В отличие от выдуманного Дугласом Адамсом «Ресторана на краю Вселенной», навечно замершего на самом краю конечной точки пространства и времени, это была совершенно нормальная кафешка при отеле «Вселенная». Который, в свою очередь, был совершенно нормальным отелем в Реймсе и находился в идеально правильной точке пространства и времени для четырех усталых и голодных путешественников.

Научный вопрос, послуживший движущей силой для выдуманного Адамсом ресторана, звучал так: «Как закончится Вселенная?» Вероятно, не рок-концертом космологических масштабов, как считал он. Возможно, человечество и заслужило такой конец, но, может быть, все же не стоило бы навлекать такую страшную кару на другие цивилизации, которые могут оказаться рядом.

Возможно, Вселенная вообще никогда не закончится. Она могла бы расширяться вечно. Но в этом случае все постепенно сойдет на нет, галактики будут отдаляться друг от друга до тех пор, пока свет не потеряет способность преодолевать расстояние между ними, и тогда мы останемся одни в холоде и темноте. Впрочем, по мнению Фримена Дайсона, сложная «жизнь» могла бы продолжить существование, несмотря на так называемую «тепловую смерть» Вселенной. Но это была бы очень медленная жизнь.

В менее печальном для поклонников фантастики варианте Вселенная могла бы коллапсировать, повторив в обратном порядке процесс Большого взрыва и расширения. Она могла бы даже коллапсировать обратно в точку. Или ее конец мог бы оказаться более удручающим — Большим разрывом, при котором материя распадается, по мере того как темная энергия рвет ткань пространства-времени.

Это может оказаться окончательным Концом. Но можно допустить также, что после коллапса Вселенная могла бы возродиться вновь. Это уже теория осциллирующей Вселенной. Джеймс Блиш использовал ее в финале повести «Триумф времени». Возможно, фундаментальные физические константы после сжатия и начала нового цикла окажутся чуть другими; некоторые физики думают именно так. Другие так не считают. Может быть, от нашей Вселенной отпочкуются детки, во всем похожие на свою мать или совершенно иные. А может, и нет.

Математика позволяет нам исследовать все эти возможности, а однажды, может быть, поможет выбрать одну из них. До тех пор мы можем только рассуждать о конце всех вещей — или не всех, как вполне может оказаться.

Несколько лет назад теория возникновения Вселенной в результате Большого взрыва соответствовала всем существенным наблюдениям. С одной стороны, она предсказала температуру реликтового микроволнового излучения — этот ранний успех внес серьезный вклад в то, что теория была в конечном итоге принята [87] По современным оценкам, эта температура составляет 2,72548 ± 0,00057 K. . С другой стороны, наблюдений было мало, а интервалы между ними были большие. По мере того как астрономы, пытаясь понять, что еще предсказывает теория Большого взрыва, получали более подробные измерения и проводили более обширные расчеты, начали появляться нестыковки.

В главе 15 мы видели, что в сегодняшней Вселенной имеется большое количество крупномасштабных структур; длинные волокна и целые обширные «стены» галактик окружают еще более обширные войды. Все вместе сильно напоминает пену в стакане с пивом, причем галактики там располагаются на поверхности пузырьков, а войды соответствуют воздуху внутри их. Расчеты показывают, что современная оценка возраста Вселенной — 13,8 миллиарда лет — не дает веществу достаточно времени, чтобы стать настолько комковатым. Кроме того, возраст Вселенной слишком мал, чтобы объяснить нынешнюю плоскую геометрию пространства. Согласовать то и другое проблематично, потому что, чем более плоским вы сделаете пространство, тем менее комковатым, скорее всего, станет вещество, и наоборот: чем более комковато вещество, тем более искривлено пространство.

Преобладающая космологическая мудрость предлагает постулировать Еще Больший взрыв, иначе известный как инфляция. В критический момент, в самом начале своего существования, нарождающаяся Вселенная расширилась до громадных размеров за необычайно короткое время.

Другие недостатки оригинальной теории Большого взрыва привели к тому, что космологи «прикрутили» к ней еще два априорных допущения: скрытая масса, или темная материя, — некая форма вещества, совершенно отличная от обычного его состояния, и темная энергия — некая форма энергии, заставляющая процесс расширения Вселенной ускоряться. В данной главе я расскажу об инфляции и о темной энергии. Скрытую массу я оставлю до следующей главы, поскольку сказать о ней можно много.

Космологи весьма уверены в истинности нынешней теории, известной как модель ΛCDM (Lambda-Cold Dark Matter) c Λ-членом и холодной темной материей или как стандартная модель космологии. (Напомню, что Λ — это обозначение космологической постоянной Эйнштейна.) Они уверены, потому что такая комбинация классического Большого взрыва, инфляции, скрытой массы и темной энергии согласуется с большинством наблюдений, причем со значительной степенью детализации. Однако с каждым из трех дополнительных компонент имеются значительные проблемы, и не исключено, что кое-что необходимо переосмыслить.

В этой и следующей главах я собираюсь сначала рассказать традиционный вариант теории, с кратким изложением тех наблюдений, которые и дали начало этим трем «подпоркам», и описанием того, как они объясняют эти наблюдения. Затем я взгляну на получившуюся в результате стандартную модель космологии критически и изложу некоторые проблемы, которые не снимаются этими подпорками. Наконец, опишу некоторые из предложенных альтернатив стандартной модели и расскажу, как они, в свою очередь, справляются с проблемами.