Удивительная космология

Шильник Лев

Однако модели моделями, но все же хотелось бы чего-нибудь более реального, что можно пощупать руками. Красное смещение, бесспорно, о многом заставляет задуматься, но это всего лишь геометрия, к тому же не очень простая для понимания. А вот если бы удалось отыскать некий материальный след горячего начала Вселенной, тогда был бы совсем другой разговор. Г. А. Гамов, автор теории Большого взрыва, еще в конце 40-х годов прошлого века предсказывал, что Вселенная должна быть равномерно заполнена радиоизлучением миллиметрового диапазона с температурой от 25 до 5 градусов Кельвина. Дело оставалось за малым – обнаружить такое излучение.

В 1964 году американские физики Арно Пензиас и Роберт Вильсон, сотрудники лаборатории Белла, испытывали самый чувствительный на тот момент детектор сверхвысокочастотных волн (СВЧ-детектор). Справедливости ради следует сказать, что они не искали некое неведомое радиоизлучение, а занимались отладкой аппаратуры для работы по программе

спутниковой связи. Для тестирования была выбрана волна длиной 7,35 сантиметра, на которой не излучал ни один из известных источников. Антенна, имевшаяся в распоряжении Пензиаса и Вильсона, была замечательная, и поэтому они были крайне удивлены, когда обнаружили, что она постоянно фиксирует посторонний радиошум, от которого никак не удавалось избавиться. Этот шум был монотонным и ровным и не зависел ни от направления антенны, ни от времени суток, следовательно, его источник должен располагаться за пределами земной атмосферы. Более того, он не менялся даже в течение года (а ведь Земля летит по орбите вокруг Солнца), из чего следовало заключить, что источник излучения находится не только за пределами Солнечной системы, но и за пределами Галактики, поскольку по мере движения Земли детектор меняет ориентацию в пространстве. По иронии судьбы, два других американца, Роберт Дикке и Джим Пиблс, готовились искать фоновое изотропное излучение с температурой ниже 10 градусов Кельвина вполне целенаправленно, но Пензиас и Вильсон, оперативно сообразив, что к чему, сообщили о своих результатах раньше. Стивен Хокинг пишет по этому поводу:

Дикке и Пиблс готовились к поиску такого излучения, когда Пензиас и Вильсон, узнав о работе Дикке и Пиблса, сообразили, что они его уже нашли. За этот эксперимент Пензиас и Вильсон были удостоены Нобелевской премии 1978 года (что было не совсем справедливо, если вспомнить о Дикке и Пиблсе, не говоря уже о Гамове!).

Впоследствии микроволновое фоновое излучение удалось зарегистрировать и на других длинах волн – от 0,5 миллиметра до нескольких десятков сантиметров.

Итог многолетних наблюдений сводился к тому, что оно имеет тепловую природу и соответствует излучению абсолютно черного тела при температуре 2,7 градуса Кельвина (точное современное значение – 2,725 К). Его спектр не похож на спектр излучения звезд, радиогалактик и других возможных источников, а его интенсивность практически идентична при наблюдении разных участков небесной сферы, то есть оно изотропно и однородно, что и требовалось доказать. Советский астрофизик И. С. Шкловский предложил назвать загадочное излучение «реликтовым», и с тех пор этот термин широко применяется, хотя официальное его название – космический микроволновый фон.

Что же такое реликтовое излучение и откуда оно взялось? Когда около 14 миллиардов лет назад в результате чудовищного взрыва родились пространство, время и материя, Вселенная поначалу была кипящим супом из протонов, электронов, фотонов (световых квантов) и нейтрино, которые бурно взаимодействовали между собой. Все пространство новорожденной Вселенной было заполнено сплошной непрозрачной средой в виде высокотемпературной ионизованной плазмы. По мере расширения Вселенной температура падала, и когда она опустилась до 3000 градусов Кельвина, стало возможным образование стабильных атомов. Произошло, как говорят астрофизики, отделение излучения от вещества, потому что оно практически не взаимодействует с нейтральными атомами. Вселенная стала прозрачной для излучения, и оно получило возможность распространяться свободно. Иногда этот момент называют эпохой последнего рассеяния. Температура излучения продолжала понижаться в ходе дальнейшего расширения Вселенной, но его спектр сохранился без изменений до наших дней как напоминание о горячих деньках нашего мира. Вот эти остатки былой роскоши и обнаружили будущие нобелевские лауреаты.

Не будет преувеличением сказать, что открытие микроволнового фона имело фундаментальное значение и по своей важности вполне сопоставимо с открытием расширения Вселенной. В крышку стационарной модели был забит последний гвоздь. Во второй половине XX века горячая модель Большого взрыва превратилась в солидную полноправную теорию. Академик Я. Б. Зельдович так сказал об этом в 1984 году:

Теория Большого взрыва в настоящий момент не имеет сколько-нибудь заметных недостатков. Я бы даже сказал, что она столь же надежно установлена и верна, сколь верно то, что Земля вращается вокруг Солнца. Обе теории занимали центральное место в картине мироздания своего времени, и обе имели много противников, утверждавших, что новые идеи, заложенные в них, абсурдны и противоречат здравому смыслу. Но подобные выступления не в состоянии препятствовать успеху новых теорий.

Разумеется, уважаемый академик немного лукавил, потому что даже на Солнце бывают пятна, и теория Большого взрыва в этом смысле отнюдь не исключение. Очень скоро выяснилось, что, несмотря на всю свою предсказательную силу, она тоже не лишена недостатков, но об этом – в следующей

главе.

Всеобъемлющая инфляция

В буквальном переводе с латыни слово «инфляция» означает «вздутие». Едва ли нужно объяснять, что перепроизводство бумажных денег или иных платежных средств, допускающих бесконечное тиражирование посредством печатного станка, прямиком ведет к вышеупомянутому вздутию, ибо пустая бумага, стоящая гроши, немедленно приходит в противоречие с реальным предложением товаров. Впрочем, граждане нашей страны знакомы с инфляцией не понаслышке: с самого начала 1990-х она висит над головой каждого законопослушного россиянина наподобие дамоклова меча, а ежемесячные сводки жизнерадостно сообщают, насколько успел похудеть его кошелек за отчетный период.

Астрофизиков экономические неурядицы занимают мало, однако современная космология с готовностью взяла на вооружение солидный термин, попутно вернув ему первоначальный смысл. Если в экономике инфляция всего лишь красивая метафора, то в космологии под ней понимается реальный физический процесс – стремительное раздувание вынырнувшего из сингулярности новорожденного пространства. Это закономерный и необходимый этап в истории очень ранней Вселенной, принципиально отличающийся от сменившего его тривиального расширения, о котором подробно рассказывалось в предыдущей главе. Немедленно возникает вопрос: для чего физикам понадобилось вводить дополнительную сущность, если старая добрая теория Большого взрыва, казалось бы, неплохо объясняла все наблюдаемые факты? Ведь даже знаменитый английский ученый Фред Хойл, еретик от астрофизики и оригинальный мыслитель, усердно развивавший теорию стационарной Вселенной, в конце концов сдался и принял концепцию Большого взрыва.

Дело в том, что в рамках традиционной модели не смогли найти разрешения несколько весьма важных космологических проблем. Прежде всего это так называемая проблема горизонта частиц и проблема плоскостности. Кроме того, стандартная модель не давала ответа на вопрос, что было до Большого взрыва, и не умела объяснить размеров наблюдаемой Вселенной (если теория Большого взрыва справедлива, то Вселенная должна быть много меньше). Эти досадные неувязки подобно занозам торчали из тела стандартной теории, и многие космологи откровенно закрывали на них глаза, полагая, что с течением времени они как-нибудь сами собой рассосутся. Однако события повернулись так, что из ничтожных мелочей вырос принципиально иной сценарий происхождения нашего мира. Нечто похожее в свое время приключилось с выдающимся немецким физиком Максом Планком, которого пытались отговорить от занятий теоретической физикой, поскольку эта наука практически завершена. Только отдельные пятнышки омрачают ее светлые горизонты, говорил ему наученный жизнью учитель, для чего же попусту тратить ваши лучшие годы на бестолковое наведение глянца? Планк, как известно, не послушался: вскоре он предложил гипотезу квантов и вывел свою знаменитую постоянную, положив тем самым начало новой, неклассической физике.

Разберем неувязки теории Большого взрыва по порядку. Начнем с проблемы горизонта частиц. Астрономические наблюдения показывают, что Вселенная исключительно однородна в больших масштабах. Температура реликтового излучения, как мы помним, составляет в среднем около 3 градусов Кельвина (2,725 К), причем отклонения температуры от среднего значения по различным направлениям совершенно ничтожны – они не превышают одной стотысячной (10^{– 5}). Расстояния, доступные современным телескопам, укладываются в величину порядка 10 миллиардов световых лет, и на этих пространствах мы наблюдаем в точности то же самое – поразительную «выглаженность» контрастов плотности. По современным представлениям, истинный размер Вселенной многократно превышает ее наблюдаемую часть, которую принято называть Метагалактикой. Поскольку начало мира состоялось примерно 13–14 миллиардов лет тому назад, свет от далеких объектов элементарно не успел до нас добраться – ему просто не хватило времени. Звезды и галактики, расположенные за горизонтом событий (если таковые там имеются), принципиально недоступны, ибо скорость света – максимально возможная из всех скоростей. Но внутри горизонта все частицы причинно связаны друг с другом, так как они давным-давно уже успели обменяться между собой необходимой информацией.

Закавыка в том, что теория Большого взрыва не в состоянии объяснить, каким образом этот обмен мог состояться. Горизонт прирастает (и всегда прирастал) со скоростью света, а взаимодействие между частицами в полном соответствии с теорией относительности неизбежно осуществляется со скоростями несколько меньшими. Космологи так и пишут: горизонт частиц всегда будет расширяться быстрее взаимного расстояния между двумя пробными частицами. Получается, что тепловое равновесие (а его существование – непреложный факт) никоим образом не могло быть достигнуто в рамках стандартной модели за истекшие 14 миллиардов лет.