Почему случился Большой взрыв?
Обилие высокоточных данных превратило космологию из умозрительной дисциплины в точную науку. Теперь возраст Вселенной измерен с погрешностью 1 %. Как обычно бывает в науке, мы, отвечая на старые вопросы, наталкиваемся на новые, и я предвижу замечательное десятилетие: космологи всего мира предложат новые теории и поставят новые эксперименты, чтобы пролить свет на природу тёмной материи, тёмной энергии и т. д. В гл. 13 мы вернёмся к этим поискам и вопросу о судьбе Вселенной.
Для меня самый поразительный урок точной космологии состоит в том, что с момента рождения Вселенной ею управляют простые математические законы. Уравнения, выражающие общую теорию относительности, по-видимому, точно описывают гравитационное взаимодействие на расстояниях от миллиметров до сотен триллионов триллионов (1026) метров, а уравнения атомной и ядерной физики, похоже, точно описывают Вселенную, начиная с одной секунды после Большого взрыва до наших дней, то есть 14 млрд лет спустя. И делают они это не в общих чертах, как уравнения экономики, а с потрясающей точностью (рис. 4.2). Столь точная космология подчёркивает удивительную полезность математики для понимания мира. Мы вернёмся к этой загадке в гл. 10 и рассмотрим её радикальное объяснение.
Другой поразительный урок точной космологии состоит в том, что она неполна. Мы видим, что всё наблюдаемое во Вселенной порождено Большим взрывом, при котором почти однородный газ, столь же горячий, как ядро Солнца, расширялся столь быстро, что удваивался в размерах менее чем за секунду. Но кто всё это устроил? Я люблю размышлять над «проблемой Большого взрыва»: что сделало Большой взрыв — взрывом? Откуда появился горячий расширяющийся газ? И почему в нём были учтены эти 0,002 % — амплитуда первичных флуктуаций, которые превратились в галактики и крупномасштабную структуру, наблюдаемую в современной Вселенной? Короче, как всё это началось? Экстраполяция в прошлое фридмановских уравнений расширяющейся Вселенной приводит к проблемам, а значит, для понимания наших истоков требуются совершенно новые идеи. Об этом мы и поговорим в следующей главе.
Резюме
• Новейшие данные о космическом микроволновом фоне, кластеризации галактик и т. д. превратили космологию в точную науку. Так, мы перешли от споров о том, составляет возраст Вселенной 10 или 20 млрд лет, к спорам о том, составляет он 13,7 или 13,8 млрд лет.
• Эйнштейновская теория гравитации определённо стала рекордсменом по математической красоте среди физических теорий, объяснив гравитацию как проявление геометрии. Она показывает, что чем больше массы содержится в пространстве, тем сильнее пространство искривляется. Кривизна пространства заставляет предметы двигаться не по прямым линиям, а по кривым, закручивающимся в сторону массивных объектов.
• Путём изучения геометрии треугольников размером со Вселенную теория Эйнштейна позволяет определить общее количество массы во Вселенной. Удивительно, но на атомы, которые считались составными частями всего сущего, приходится всего 4 % этой массы, а остальные 96 % остаются необъяснёнными.
• Недостающая масса призрачна, будучи одновременно невидимой и способной незаметно проходить сквозь нас. Её гравитационное влияние указывает на то, что она состоит из двух обладающих противоположными свойствами субстанций: тёмная материя кластеризуется, а тёмная энергия — нет; тёмная материя разрежается при расширении, а тёмная энергия — нет; тёмная материя притягивает, а тёмная энергия отталкивает; тёмная материя помогает образовываться галактикам, а тёмная энергия — мешает.
• Точная космология открыла, что с момента рождения Вселенной ею управляют простые математические законы.
• Как ни была бы красива классическая модель Большого взрыва, она не годится для самых первых мгновений жизни Вселенной, а значит, для понимания истоков нам предстоит найти другие важные части головоломки.
Глава 5. Наше космическое происхождение
В начале была создана Вселенная. Это у многих вызвало крайнее раздражение, и в основном рассматривалось как плохой ход.
Дуглас Адамс
«Ресторан на краю Вселенной»
[15]
«О, нет! Он засыпает!» В 1997 году я делал доклад в Университете им. Тафтса. Легендарный Алан Гут специально приехал из Массачусетского технологического института, чтобы меня послушать. Я не встречался с ним прежде, и присутствие в аудитории такого светила заставляло меня гордиться и нервничать. В основном нервничать, особенно когда его голова начала клониться на грудь, а взгляд стал отсутствующим. Я постарался говорить бодрее и громче. Несколько раз он вскидывался, но вскоре я потерпел фиаско: он отправился в царство снов и не возвращался до конца доклада. Я чувствовал себя опустошённым.
Лишь много позднее, когда мы стали коллегами по Массачусетскому технологическому институту, я узнал, что он засыпает на всех докладах (кроме собственных). Сказать по правде, мой аспирант Адриан Лю говорит, что такое стало случаться и со мной. И с ним самим тоже. Но я этого никогда не замечал, поскольку мы трое отключаемся в одном и том же порядке. Если Алан, я и Адриан сидим рядом, то воспроизводим дремотную версию «волны», популярной у футбольных болельщиков.
Рис. 5.1. Андрей Линде (слева) и Алан Гут (справа) на шведском фестивале раков. Они не в курсе, что я их фотографирую и что им, двум главным архитекторам теории инфляции, придётся одеться иначе для церемонии награждения престижными премиями им. Грубера и Мильнера.
Алан настолько же дружелюбен, насколько и умён. Аккуратность, правда, не относится к сильным его сторонам: когда я впервые появился у него в кабинете, то обнаружил на полу толстый слой нераспечатанной корреспонденции. Выбрав наугад конверт, я увидел штемпель десятилетней давности. В 2005 году достижения Алана в этой области были удостоены престижной премии за самый захламлённый кабинет в Бостоне.
Что не так с Большим взрывом?
Но эта премия — не единственное достижение Алана. Около 1980 года он узнал от физика Боба Дикке, что во фридмановской модели Большого взрыва существуют серьёзные проблемы с самыми ранними стадиями, и предложил радикальное решение, которое назвал инфляцией.
[16] Экстраполяция фридмановских уравнений расширяющейся Вселенной назад во времени приводит к огромным успехам: они отлично объясняют, почему далёкие галактики разбегаются от нас, и откуда взялся фон космического микроволнового излучения, и как возникли лёгкие элементы и многие другие наблюдаемые явления.
