Терри Пратчетт - Наука плоского мира IV: Судный день

На самом деле в каждом из трех случаев возможно более одного варианта топологии. Фридман отмечал это в своей статье 1924 года для случая отрицательной кривизны, но его комментарий по какой-то причине был забыт. Конечные пространства нулевой кривизны уже были известны, и самым очевидным из них был плоский тор. Эллиптическое пространство конечно в любом случае. Но даже оно не исчерпывает всех возможных пространств с положительной кривизной этот факт был известен Пуанкаре в 1904 году. К сожалению, после того, как это недоразумение завладело умами, искоренить его было весьма непросто, и в итоге оно на несколько десятилетий затуманило понимание вопроса о форме Вселенной.

Впрочем, на тот момент перед космологами стояла более крупная цель происхождение Вселенной. В соответствии с решением уравнений поля, описывающим Большой взрыв, и пространство, и время возникли из ничего, а затем эволюционировали в современную Вселенную. Физики были в состоянии принять столь радикальную теорию, так как квантовая механика уже подготовила их тому, что частицы могут спонтанно возникать из ничего. Если это по силам одной частице, то почему не целой Вселенной? Если на это способно пространство, то почему не время?

Возвращаясь к Эйнштейну. Он мог бы даже предсказать расширяющуюся сферическую Вселенную, но решил, что статическая модель единственно верная. Чтобы получить статичное решение, он модифицировал свои уравнения поля, добавив в них новый член, зависящий от «космологической постоянной». Подобрав нужное значение этой константы, Вселенную можно было привести к статичному виду. Точная причина, по которой космологическая постоянная должна равняться именно этому значению, была не столь ясна, однако добавочный член уравнений удовлетворял всем глубоким принципам симметрии, лежавшим в основе философии Эйнштейна о правильном поведении Вселенной. В действительности, чтобы избавиться от этого члена, потребовались бы серьезные и довольно специфические основания. Когда телескопические наблюдения галактических спектров выявили расширение Вселенной, Эйнштейн решил, что введение космологической постоянной было его «величайшим заблуждением». Отказавшись от нее, он вполне мог предсказать расширение.

Что ж, такова традиционная история, однако она требует неявного допущения. Чтобы вывести формулу, выражающую зависимость формы и размера Вселенной от времени, специалисты по математической физике в начале двадцатого века искали лишь сферически симметричные решения уравнения поля. Благодаря этому допущению, число пространственных переменных уменьшается с трех до одной, выражающей расстояния от центра. В качестве приятного побочного эффекта оно также помогает упростить уравнения поля, которые в этом случае можно решить в явном виде. Неочевидное предположение о сферической симметрии «Вселенная должна быть одинаковой в любой точке» не имеет под собой твердого основания. Эйнштейн настаивал на том, что везде должны действовать одни и те же законы, но это вовсе не означает, что одинаковым должно быть и поведение. Планеты и вакуум, к примеру, тоже подчиняются одним и тем же законам.

С появлением компьютеров стало ясно, что число решений эйнштейновых уравнений поля невообразимо велико даже бесконечно велико, в зависимости от выбора начальных условий и лишь немногие из них обладают сферической симметрией. Пространство может расширяться в одних областях, сжиматься в других или закручиваться, как в водовороте. Его поведение может меняться со временем. Так что хотя расширяющаяся Вселенная и является одним из возможных решений уравнения поля, предсказываемое ей расширение справедливо не более, чем уверенный прогноз дождя на завтра, основанный на одной лишь возможности дождя как решения погодных уравнений.

Несколько лет тому назад в мире царила безмятежность. Теория Большого взрыва удовлетворяла результатам всех важнейших наблюдений. В частности, она предсказывала, что фоновое микроволновое излучение космоса должно иметь температуру около 3 градусов по абсолютной шкале. Очко в пользу Большого взрыва.

Но по мере продвижения исследований стали возникать трудности. Современная Вселенная содержит множество крупномасштабных структур громадных галактических прядей, окружающих еще более громадные пустоты наподобие пены в бокале пива, если считать, что галактики образуются на поверхности пивных пузырьков, а пустоты это заключенный внутри них воздух. Если проиграть события от настоящего к прошлому, то с учетом современных теорий возраст Вселенной составит около 13,5 миллиардов лет. С одной стороны, этот возраст слишком мал, чтобы объяснить скопление материи, существующее в настоящий момент. С другой стороны, он недостаточно велик, чтобы объяснить плоскую форму современного пространства.

Вторая трудность проистекает из наблюдаемых «кривых вращения» галактик. Галактики не вращаются подобно твердому объекту звезды, расположенные на разных расстояниях от центра, движутся с различными скоростями. Звезды, находящиеся в центральном утолщении галактики, движутся довольно медленно; более удаленные быстрее. Тем не менее, звезды, расположенные за пределами центрального утолщения, имеют примерно одинаковую скорость. Для теоретиков это загадка, поскольку гравитация как в теории Ньютона, так и в теории Эйнштейна требует, чтобы скорость движения звезд уменьшалась по мере их удаления от центра. Почти все галактики ведут себя таким неожиданным образом, что входит в противоречие с результатами многих наблюдений.

Третьей проблемой стало открытое в 1998 году ускоренное расширение Вселенной, которое согласуется с положительным значением космологической постоянной. В основе этого открытия, удостоенного в 2011 Нобелевской премии по физике, лежат наблюдения красного смещения в сверхновых типа Ia, выполненные группой High-Z Supernova Search Team (группа поиска сверхновых с высоким красным смещением).

Общепринятое в космологии решение этих проблем основано на трех дополнительных предположениях. Во-первых, это инфляция, в результате которой Вселенная увеличилась до колоссальных размеров за чрезвычайно короткое время. Количественные данные поражают воображение в промежутке между 10 -36и 10 -32секунд после Большого взрыва объем Вселенной возрос по меньшей мере в 10 78раз. Причиной такого быстрого роста взрыва, куда более внушительного, чем тот слабенький Большой взрыв, который положил всему начало стало, как утверждается, инфлатонное поле. (Не «инфляционное»: инфлатон это в общем, квантовое поле, вызывающее инфляцию). Теория отлично согласуется со множеством наблюдений. Главное затруднение состоит в отсутствии непосредственных фактов, подтверждающих существование инфлатонного поля.