С помощью спутников, таких как WMAP или «Планк», астрономы получили подробные карты реликтового микроволнового излучения и обнаружили незначительные отклонения температур всего на одну миллионную часть.
Некоторые части РМИ очень незначительно горячее или холоднее остальных. Это указывает на то, что некоторые области ранней Вселенной были незначительно горячее или холоднее, когда высвобождалось РМИ.
Такое распределение температур было бы объяснимо, если бы в ранней Вселенной вещество было распределено неравномерно. Несколько более плотные области были бы горячее, а менее плотные – холоднее. Эта картина соответствует и современной структуре Вселенной, где гигантские сверхскопления галактик окружены масштабными космическими пустотами. Менее плотные области были растянуты, как следствие расширения, с образованием пустот, а гравитация более плотных зон притягивала дополнительный материал, образуя скопления. Однако первоначальная модель Большого взрыва не дает объяснения происхождению мельчайших вариаций в распределении вещества в ранней Вселенной.
Проблема горизонта
Незначительные колебания температур в реликтовом микроволновом излучении происходят невероятно гладко. Каким образом фоновая температура остается одной и той же во всем пространстве доступной обзору Вселенной?
Если вы зимой откроете окно, все тепло уйдет наружу и в комнате станет так же холодно, как и на улице. Физик в этом случае скажет, что два места в итоге достигли термального, или температурного, равновесия. Но для того, чтобы оно было достигнуто, требуется время. Как и все во всей Вселенной, максимальная скорость, с которой может происходить обмен чем-либо между двумя пунктами в пространстве, является скорость света. Этот вопрос не представляет какой-нибудь проблемы в вашем доме, но все меняется, когда речь идет о космическом пространстве.
Давайте представим клочок неба, находящийся по одну сторону от вас на расстоянии в 10 миллиардов световых лет, и затем другой клочок неба, находящийся на том же расстоянии, но в противоположной стороне. Таким образом, расстояние между ними составит 20 миллиардов световых лет. Самой Вселенной исполнилось всего 13,8 миллиарда лет, тогда откуда эти два региона космического пространства нашли время, чтобы достичь термального равновесия?
Можно было бы сказать, что в прошлом они находились ближе друг к другу, но они никогда не располагались по отношению друг к другу достаточно близко. На основе теории Большого взрыва можно рассчитать, как быстро расширялась Вселенная, начиная с момента ее зарождения. Учитывая то расстояние, на котором они находятся сегодня по отношению друг к другу, эти два пункта космического пространства никогда не смогли бы оказаться на достаточно близком расстоянии друг от друга, чтобы достичь термального равновесия. У света никогда не было возможности пройти от одного пункта до другого – каждый из них всегда находился за горизонтом другого. Это проблема горизонта представляет собой одно из самых больших затруднений первоначальной версии Большого взрыва.
Проблема плоской Вселенной
Поверхность Земли выпуклая, но для того, чтобы эта выпуклость стала заметной и очевидной, вам нужно увидеть или пройти по ней определенное расстояние. Представьте себе, что вы привязаны к одному и тому же месту и можете видеть только ограниченную область пространства диаметром десять метров вокруг себя. Вы решите, что Земля плоская, даже если это не так.
Эта ситуация аналогична тому, что мы испытываем по отношению к Вселенной. В настоящее время мы ограничены пространством Солнечной системы и полностью полагаемся на свет, который доносит до нас подробности о том, что находится дальше за ее пределами. Однако у нас есть возможность видеть объекты, только если у этого света было достаточно времени, чтобы дойти до нас. Вселенная вначале расширялась настолько стремительно, что некоторые ее области мы никогда уже не увидим. Поэтому необходимо делать различие между Вселенной (все сущее) и Вселенной, доступной нашему обзору (видимой нам Вселенной).
Измерения видимой нам области Вселенной говорят о том, что космическое пространство в ее пределах плоское – в целом оно не имеет заметных искривлений. В отношении этого феномена существуют два возможных объяснения. Во-первых, предполагается, что расширяющаяся Вселенная растянула пространство космоса настолько, что ее небольшая часть, видимая для нас, кажется плоской, даже если более широкая Вселенная искривлена. Это аналогично тому, что десятиметровое пространство вашей комнаты смотрится как плоское, тогда как поверхность нашей планеты на самом деле изогнута. Между тем, согласно первоначальной версии Большого взрыва, Вселенная не расширилась настолько, чтобы это могло случиться. Отсюда можно заключить, что история Большого взрыва либо еще не закончилась, либо вся Вселенная – и та ее часть, которую мы можем видеть, и та, которую не можем, – плоская. Астрономы рассчитали, что вероятность того, что такое вообще возможно, равна приблизительно одному на сотни триллионов триллионов триллионов триллионов триллионов.
Проблема точной настройки
То, что наша Вселенная плоская – не единственная вещь, которая представляется в высшей степени маловероятной. Представьте, что в нашей Вселенной имеется гигантская панель управления с множеством кнопок, ручек и шкал. Каждый из них управляет каким-либо одним параметром Вселенной. Это может быть скорость света, масса электрона или сила гравитации. Если вы измените хотя бы один из этих параметров – даже на несколько процентов – наша Вселенная оказалась бы совершенно другой.
Возьмем силу гравитации. Если бы она была больше, вещество в центре звезд разрушалось бы значительно сильнее. Процесс слияния веществ в звездах протекал бы куда стремительнее, и их жизнь длилась бы месяцы и годы, а не миллиарды лет, как это происходит сейчас. В этих условиях у жизни на Земле не было бы шанса возникнуть. Измените шкалу на достаточную величину, и звезды не образуются вовсе.
Если бы гравитация была значительно сильнее, она могла бы развернуть первоначальное расширение Вселенной в обратном направлении и вызвать всеобщий коллапс, вернув все в исходное состояние «Большого хруста» до того, как первые звезды вообще зажглись.
Если все эти настройки носят случайный характер и могли принять значения, варьирующиеся в самых широких пределах, тогда каким образом все настройки оказались ровно такими, какие необходимы для того, чтобы возникла Вселенная, полная звезд, планет и людей? Результатом большинства других гипотетических настроек стало бы появление пустой Вселенной или вообще ничто. Существует несколько ответов на проблему точной настройки. Во-первых, это могла быть просто удача – невероятные вещи иногда случаются. Во-вторых, это могло быть деянием некоего всемогущего существа, которое все тщательно предусмотрело. Однако ни одно из этих предположений не может считаться удовлетворительным, так как их нельзя проверить.
Однако третий вариант – идея под названием инфляция – потенциально способен объяснить не только проблему точной настройки, но и все другие проблемы, связанные с Большим взрывом.
