С помощью тщательных расчетов мы можем определить, как эти крошечные вариации плотности за несколько тысячелетий превращаются в целые скопления галактик. Гравитационный коллапс – очень мощная вещь. Сгусток вещества, плотность которого превышает плотность находящейся поблизости материи, будет притягивать эту материю, все больше и больше увеличивая контраст с менее плотной областью. Богатые становятся богаче, а бедные – беднее.
С помощью компьютерного моделирования, которое позволяет за несколько секунд показать процессы, занимающие миллиарды лет, мы можем наблюдать, как чуть более плотный сгусток материи притягивает достаточное количество окружающего его менее плотного газа, формируя первую звезду во Вселенной. Эти звезды образуются в первых галактиках, которые собираются в скопления, превращая пятнистую карту КМФИ в наблюдаемую сегодня космическую паутину из узлов, нитей и пустот, усыпанную галактиками, сверкающими, словно капли росы. Если вы сравните результаты одной из этих компьютерных симуляций с реальной трехмерной картой космоса, каждая точка которой представляет собой одну галактику, вам будет очень сложно их различить.
Итак, Большой взрыв имел место. Мы его наблюдали, мы его рассчитали, теория подтвердилась. Теперь устраивайтесь поудобнее возле сияющего космического черного тела и послушайте историю происхождения космоса.
Самое начало
Далеко не всю космическую историю можно наблюдать непосредственно. События, имевшие место за несколько сотен тысяч лет до окончания стадии огненного шара и спустя около полумиллиона лет после него, чрезвычайно сложно поддаются изучению. В первом случае это происходит из-за слишком большого количества света (представьте, что вы пытаетесь посмотреть сквозь стену огня), а во втором – из-за слишком малого его количества (представьте, что вы пытаетесь рассмотреть пылинки в воздухе между вами и стеной огня). Однако реликтовое излучение, говорящее нам, что произошло прямо посередине между этими событиями, позволяет произвести экстраполяцию в обоих направлениях и получить убедительные данные о том, как развивалась Вселенная на протяжении 13,8 миллиарда лет, начиная с первой миллиардной миллиардной миллиардной доли секунды.
Итак, начнем?
Вначале была сингулярность.
Возможно. Сингулярность – это первое, что приходит на ум большинству людей, когда они думают о Большом взрыве: бесконечно плотная точка, взрыв которой привел к возникновению Вселенной. Правда, сингулярность не обязательно должна представлять собой точку. Это может быть просто бесконечно плотное состояние бесконечно большой Вселенной. И, как уже говорилось выше, взрыва как такового не было, поскольку взрыв подразумевает расширение в чем-то, а не расширение всего. Идея о том, что все началось с сингулярности, основана на наблюдении за текущим расширением Вселенной, применении уравнений гравитационного поля Эйнштейна и экстраполяции в обратном направлении. Однако эта сингулярность, возможно, никогда не имела места. По мнению большинства физиков, то, что произошло через долю секунды после истинного «начала» Вселенной, представляло собой драматическое сверхрасширение, которое просто стерло все следы того, что происходило до этого. Таким образом, сингулярность – это лишь одна из многих гипотез о том, как все началось.
Также существует вопрос о том, что было до сингулярности. В зависимости от того, кому вы его зададите, этот вопрос может оказаться бессмыслицей (поскольку сингулярность – начало времени и пространства, никакого «до» нее не было) или представлять собой один из наиболее важных вопросов в космологии (поскольку сингулярность может являться конечной точкой предыдущего вселенского цикла, состоящего из Большого взрыва и Большого сжатия). Мы поговорим о второй возможности в главе 7, а пока о сингулярности вам достаточно знать лишь то, что она могла иметь место. Даже «отмотав назад» расширение Вселенной, мы ничего не смогли бы сказать об этой точке, поскольку сингулярность представляет собой настолько экстремальное состояние материи и энергии, что наши познания в области физики не позволяют его описать.
Для физика сингулярность – патологическое явление. Это то место в уравнениях, где некая величина, которая до сих пор вела себя предсказуемым образом (например, плотность вещества), начинает стремиться к бесконечности, что делает невозможным получение какого-либо осмысленного результата. В большинстве случаев столкновение с сингулярностью говорит о том, что в ваших вычислениях что-то пошло не так и вам нужно вернуться к началу. Обнаружить в своей теории сингулярность все равно что получить от своего навигатора инструкцию подъехать к краю озера, разобрать свой автомобиль, собрать из него лодку и переправиться на ней на другой берег. Возможно, это действительно единственный способ добраться до нужного места, однако, скорее всего, вы просто где-то свернули не туда.
Но на практике свести на нет физику, какой мы ее знаем, можно и без истинной сингулярности. Каждый раз, когда в очень малом пространстве оказывается очень много энергии, вам приходится одновременно иметь дело и с квантовой механикой (теорией, описывающей физику частиц), и с общей теорией относительности (теорией гравитации). В обычных обстоятельствах вы можете учитывать что-то одно, поскольку гравитация, как правило, имеет большое значение при работе с массивными объектами, что позволяет игнорировать отдельные частицы, тогда как квантовая механика в основном важна в микромире, где вклад гравитации оказывается несущественным. Однако при столкновении с экстремальной плотностью вам приходится использовать обе теории, а они очень плохо сочетаются друг с другом. Экстремальная гравитация предполагает существование отдельных массивных объектов, которые искривляют пространство и изменяют течение времени, а квантовая механика позволяет частицам проходить сквозь твердые преграды или существовать в виде облаков вероятностей. Фундаментальная несовместимость теорий для очень массивных и очень маленьких объектов намекает нам на то направление, в котором следует двигаться при создании новых, более совершенных теорий. Однако это также сильно затрудняет изучение того, что происходило на очень ранних этапах развития Вселенной.
Отсутствие полноценной теории квантовой гравитации (примиряющей физику элементарных частиц с гравитацией) ограничивает нас в том, как далеко мы можем зайти в экстраполяции данных о Вселенной, получая при этом осмысленный результат. Мы неизбежно достигаем той точки, когда дальнейшее продвижение оказывается невозможным. В этот момент значения плотности вырастают настолько, что эффекты экстремальной гравитации предположительно начинают конкурировать с нечеткостью, присущей квантовой механике, и мы просто не знаем, что с этим делать. Приводит ли сильная гравитация к формированию микроскопических черных дыр, которые затем случайным образом появляются и исчезают из-за квантовой неопределенности? Имеет ли время хоть какое-то значение тогда, когда форма пространства является не более предсказуемой, чем результат броска игральной кости? Как ведут себя пространство и время в микромасштабе – как отдельные частицы или как волны, которые интерферируют друг с другом? Существуют ли кротовые норы? Существуют ли драконы? Мы понятия не имеем.
