В 1990-е годы астрономы столкнулись с еще одной загадкой. Они обнаружили, что далекие сверхновые на удивление слабы – а из этого следует, что расширение Вселенной не замедляется, как повсеместно предполагалось, а, наоборот, ускоряется. Во Вселенной как будто доминирует некая отталкивающая сила. Ее назвали темной энергией. Она может представлять собой либо космологическую постоянную (энергию вакуума), либо изменяющееся поле энергии – некую квинтэссенцию. Либо же гравитация может вести себя по-разному, становясь отталкивающей силой на больших расстояниях.
Космический микроволновый фон
Спутники WMAP и «Планк» дали твердое обоснование стандартной картине космологии путем точного измерения спектра флуктуаций космического микроволнового фона. Все данные указывают на то, что Вселенная существует 13,8 миллиарда лет, содержит примерно 5 % обычной материи, 26 % темной материи и 69 % темной энергии.
Остается много важных вопросов. Мы не знаем истинного размера Вселенной, не знаем даже, бесконечна она или нет. Не знакомы мы и с ее топологией, нам неизвестно, закручивается где-нибудь пространство или нет. Мы не знаем, что вызвало инфляцию и породила ли она множество параллельных вселенных далеко-далеко от нашей, как подразумевается во многих теориях.
Еще одна загадка: почему Вселенная предпочитает материю антиматерии? В ранние этапы Большого взрыва, когда создавались частицы, Вселенной пришлось сделать выбор в пользу одной из них. Иначе, если бы материя и антиматерия появились в одинаковых количествах, они бы уничтожили друг друга, и в мире, кроме излучения, ничего бы не осталось. Стандартная модель физики элементарных частиц не объясняет это предпочтение по отношению к материи.
Как все начиналось на самом деле (если начало и было) до сих пор неизвестно, потому что в релятивистских моделях Большой взрыв происходит в точке сингулярности, где уравнения не работают. Конец Вселенной также покрыт мраком неизвестности, поскольку он зависит от природы темной энергии и от того, как эта странная субстанция станет вести себя в будущем. Увеличение силы действия темной энергии уничтожит гравитационную связь между галактиками, а потом вызовет Большой разрыв, который уничтожит все вещество. Уменьшение этой силы спровоцирует коллапс Вселенной в Большом сжатии, что приведет к новому Большому взрыву. Чтобы понять сценарии начала и конца Вселенной, нам, вероятно, понадобится квантовая теория гравитации.
Большой взрыв начинается
Более 50 лет назад случайно была подтверждена история происхождения Вселенной. Канадский и американский космолог Джим Пиблс (род. 1935) вспоминает историю убеждения скептиков.
«Я присутствовал при рождении Большого взрыва, если так можно выразиться. В мае 1964 года Арно Пензиас и Роберт Вильсон провели свои первые измерения астрономического микроволнового излучения из остатка сверхновой Кассиопея А. Обосновавшись на территории Телефонных лабораторий Белла в Холмделе (штат Нью-Джерси), они использовали рупорную антенну, созданную для изучения микроволновых коммуникаций, которые впоследствии легли в основу сотовой телефонной технологии. Но Пензиас и Вильсон столкнулись с проблемой, которая до этого уже беспокоила инженеров фирмы Белла. Со стороны неба “долетало” больше микроволн, чем ожидалось.
Я тогда был молодым, подающим надежды теоретиком в Принстонском университете и работал в научно-исследовательской группе Боба Дикке. Боб был ярым сторонником идеи происхождения Вселенной из горячего плотного состояния, и он исследовал предположение, что от него должно было остаться море излучения, рассеянного по всему небу. Боб поручил двум своим сотрудникам, Питеру Роллу и Дэвиду Вилкинсону, сконструировать приемник для обнаружения этого излучения и предложил мне изучить теоретические последствия его наличия или отсутствия.
В феврале я представил нашу идею на коллоквиуме, а через несколько недель Бобу позвонил Пензиас. Когда Боб, Питер и Дэвид прибыли в Холмдел, они обнаружили, что группа Пензиаса вырвалась вперед. Я не помню, чтобы Боб или еще кто-либо из нас об этом пожалел. Наоборот, все радовались тому, что можно хоть что-нибудь измерять и анализировать.
Море шума, которое так беспокоило Пензиаса и Вильсона, было космическим микроволновым фоном (КМФ), который ныне является решающим аргументом в пользу Большого взрыва. Но тогда это было еще не совсем понятно, как это следует из публикаций журнала New Scientist. В 1976 году Мартин Рис, недавно получивший звание почетного профессора астрономии кафедры Плюма в Кембриджском университете, писал, что не существует "никакой другой правдоподобной теории" для объяснения наблюдаемых характеристик КМФ (2 декабря 1976 года, стр. 512). Хотя еще спустя пять лет предшественник Риса по кафедре Плюма, Фред Хойл, по-прежнему допускал справедливость альтернативной теории стационарной Вселенной. Он писал, что последние измерения КМФ “так разнятся с тем, что предсказывает теория, что способны похоронить космологические теории Большого взрыва” (19 ноября 1981 года, стр. 521). Теория стационарной Вселенной, в создании которой принимал участие Хойл в 1948 году, предполагает, что материя постоянно создается в расширяющейся Вселенной, при этом вновь образующиеся галактики заполняют пространство, которое открывается по мере того, как уходят вдаль уже существующие галактики. В этой картине прошлое Вселенной было ничуть не горячее и не плотнее, чем ее настоящее.
Верным доказательством происхождения нашей Вселенной из горячего и плотного состояния было бы открытие излучения с характерным спектром, в котором интенсивности на разных длинах волн распределяются в соответствии с формулой Планка для теплового излучения. Эксперимент Ролла и Вилкинсона вскоре добавил еще одну точку, а затем Вилкинсон получил много дополнительных данных, что закрепило его ведущую роль в проекте COBE. В начале 1990-х годов наблюдения спутника COBE убедительно показали, что спектр КМФ близок к планковскому спектру с температурой примерно 2,73 Кельвина. К этому времени уже мало кто сомневался, кроме Хойла и его ближайших сотрудников, что Вселенная произошла из Большого взрыва.
По наблюдениям обсерватории COBE и последующих миссий – спутника WMAP Американского Космического Агентства НАСА, зонда «Планк» Европейского Космического Агентства и множества других – удалось построить карту распределения КМФ на небе и показать, что это распределение не вполне однородно. Эти измерения предоставляют нам информацию об истории расширения Вселенной и о природе вещества, из которого она состоит. Теперь у нас достигнуто полное согласие между измерениями и космологической теорией, по крайней той, которая включает в себя две гипотетические составляющие: невидимую холодную темную материю, удерживающую вещество в галактиках от разбегания, и космологическую постоянную, необходимую для объяснения ускоренного расширения Вселенной, которое следует из наблюдений далеких сверхновых.
Сегодня все более детальные исследования КМФ могут вернуть нас во Вселенную, где еще не действовала общая теория относительности (см. “Первая доля секунды” ниже в этой главе). Но критический поворотный пункт был пройден 50 лет назад, когда раздражающий свист в прославленной телекоммуникационной антенне рассказал нам историю о том, как началась Вселенная».
