Нераскрытые тайны природы. Расширяющий кругозор экскурс в историю Вселенной с загадочными Большими Взрывами, частицами-волнами и запутанными явлениями, не нашедшими пока своего объяснения

Малоун Джон

Неприязненное отношение большинства физиков к космологической постоянной в сочетании с открытием в 1965 г. реликтового излучения свело фактически на нет теорию стационарной Вселенной Хойла. Однако сам он вовсе не собирался складывать оружие. Хотя у его теории оставались проблемы, он продолжал настаивать на том, что с Большим Взрывом связано еще больше проблем. Действительно, теория Большого Взрыва все время сталкивалась с новыми трудностями. Так, с развитием космологии стало ясно, что на ранних стадиях развитие Вселенной не соответствовало известным физическим законам. По крайней мере, в течение первых 500 000 лет после Большого Взрыва, пока не произошло достаточного охлаждения для образования вещества и Вселенная не стала прозрачной для света, законы нашей современной Вселенной не действовали. Это заставило ученых ввести в теорию Большого Взрыва представление о том, что начальным состоянием Вселенной было особое событие — сингулярность. Хойл и его последователи (которые у него остались) высмеяли эту идею. Конечно, — издевались они, — вы сталкиваетесь с

провалом вашего Большого Взрыва, но, вместо того чтобы усомниться в теории, вы придумываете нечто исключительное, противоречащее всему, что мы знаем!

В 1990 г. Хойл начал развивать новые идеи, после того как один из его сторонников — американский космолог Хелтон Арп, работающий в Институте им. Макса Планка (Германия), отметил, что имеется ряд наблюдений красного смещения, которые не согласуются с расстоянием от Земли. Это было серьезной неприятностью. Если величина красного смещения вовсе не является надежным мерилом скорости расширения Вселенной, это наносит теории Большого Взрыва удар в самое сердце. Быть может, галактики разлетались не столь быстро, и вовсе нет необходимости в Большом Взрыве, чтобы заставить их двигаться. Арп пошел дальше, заявив в 1991 г., что их противники «проигрывают, игнорируя результаты наблюдений этих важных объектов в телескоп и отчаянно пытаясь избежать обсуждений». Игнорируют факты? Сдерживают дебаты? Теоретики Большого Взрыва реагировали с возмущением. Между тем, как заметил в 1992 г. в своей книге «Хозяева времени» Джон Бослоу [2], некоторые другие физики обвиняли сторонников Большого Взрыва в том, что они либо игнорируют доказательства, либо предлагают гипотезы, которые невозможно проверить. Действительно, еще в 1986 г. Шелдон Глэшоу, получивший в 1979 г. Нобелевскую премию по физике, присоединился к предостережению своего коллеги по Гарварду Полу Джинспаргу: по их словам, физика, как правило, стала заниматься столь отвлеченными вопросами, что, возможно, ее в конце концов «будут преподавать на факультетах богословия те, кто в будущем заменит средневековых теологов».

Наиболее важной из неподдающихся проверке новых гипотез Большого Взрыва была идея раздувания, или инфляции. Согласно этой идее, выдвинутой в 1981 г. Аланом Гутом, на самой начальной стадии, продолжавшейся, по его выражению, ничтожную долю секунды, Вселенная расширялась со скоростью, превышающей современную в огромное число раз, и за бесконечно малый отрезок времени увеличила свои размеры от булавочной головки до апельсина или бейсбольного мяча. Может быть, это не кажется особенно значительным, но в математическом смысле ошеломляет: возрастание объема составило 10⁵⁰, т. е. 1 с 50-ю нулями. Вслед за моментом раздувания Вселенная перешла в режим расширения с (относительно) небольшой скоростью, которая с тех пор и преобладает. Иными словами, в самое первое мгновение Вселенная вела себя подобно Супермену, а затем угомонилась и на протяжении остальной космической истории уже двигалась неторопливо.

Для широкого читателя это может показаться странным, однако концепция раздувания развеяла тучи, нависшие над теорией Большого Взрыва, и получила широкое одобрение. Среди решенных таким образом проблем была малая кривизна — уплощенность — Вселенной. Термин «уплощенность» в общем смысле несколько неудачен для описания физических процессов, которые подразумеваются в теории, однако он имеет глубокий математический смысл. По определению физиков, Вселенная должна быть либо открытой, и тогда она будет вечно расширяться, следуя поверхности с бесконечным радиусом кривизны, либо замкнутой, т. е. под действием гравитационных сил в конечном итоге расширение сменится сжатием, и Вселенная вернется в первоначальное состояние, — по-видимому, типа изначального атома, испытавшего Большой Взрыв. Но, к сожалению, наблюдения не позволили получить данных о том, является ли Вселенная открытой или замкнутой. Она кажется идеально сбалансированной между этими возможностями, и такое состояние описывается как уплощенность, поскольку кривизна пространства в среднем равна нулю («плоская» кривая).

Положение осложняется еще и тем, что отношение действительной плотности Вселенной (количества вещества, создающего гравитационное притяжение) к плотности, необходимой для того, чтобы она коллапсировала, равно единице. Это отношение обозначают греческой буквой «омега». Математически, открытой Вселенной будет соответствовать отношение меньше, чем омега, а замкнутой Вселенной — отношение, превышающее омегу. Таким образом, говорить о равной нулю кривизне или равном единице отношении плотностей означает говорить о плоской Вселенной. Впервые этот результат возник как следствие гипотезы раздувания Алана Гута. Неважно, что раздувание Вселенной часто сравнивают с превращением булавочной головки в апельсин, который, несомненно, круглый. Дело в том, что чем больше раздувается воздушный шарик, тем сильнее уплощается его поверхность, и за крошечный промежуток времени, в течение которого происходит раздувание, оно сопровождается уплощением. Как мы знаем от лауреатов Нобелевской премии, математика работает. (Тот, кто сомневается в математике, может просто представить себе Вселенную в виде апельсина, через который переехал грузовик.)

Интересно, что один из аргументов противников раздувания состоит в том, что его приверженцы допускают аналогичное и в космических масштабах. Когда Алан Гут работал над своей гипотезой, он столкнулся с проблемой, заставившей его отложить ее публикацию на два года. Из теории следовало, что

при таком быстром расширении должен был возникнуть ряд отдельных «пузырей». Стенки этих пузырей должны быть все еще заметны, однако этого нет. В конце концов Гут все-таки решился на публикацию, надеясь, что заинтересует этой проблемой других космологов и они попытаются решить ее. Так и случилось. Первым нашел решение российский физик Андрей Линде; к этому же впоследствии пришли и другие ученые. Он сумел показать математически, что пузыри, названные «доменами», должны развиваться независимо друг от друга. Более того, известная нам часть Вселенной составляет всего-навсего миллиардную или триллионную долю одного из этих доменов, а стенки такого пузыря удалены настолько, что могут навсегда остаться за пределами наших наблюдений. Благодаря этим расчетам удалось вывести назойливого слона из жилой комнаты с глаз долой и привязать где-то за сараем, но по той же причине Шелдон Глэшоу заговорил о средневековой теологии.

^{На снимке, полученном 1 апреля 1995 г. с помощью космического телескопа «Хаббл», видны газообразные колонны в туманности М16 в созвездии Орла. Они представляют собой столбы охлажденного межзвездного водорода и пыли, которые служат «инкубаторами» новых звезд. В них содержатся глобулы, названные EGG (от «evaporating gaseous globules» — испаряющиеся газообразные шарики), которые точнее было бы назвать «зародышами», так как они содержат эмбрионы звезд, которые проявятся в процессе эрозии под действием ультрафиолетовых лучей, испускаемых массивными новообразованными звездами в данной области Вселенной. Из материалов NASA (Jeff Hester and Paul Scowen, Arizona State University).} 

Тем не менее, как и саму идею раздувания, теорию пузырей-доменов с энтузиазмом приняли большинство космологов, в том числе Стивен Хокинг, которого считают самым выдающимся из живущих физиков. Хотя теорию пузырей-доменов и невозможно проверить, она позволила решить проблему раздувания, которую также нельзя проверить и которая объяснила не только плоский характер Вселенной, но и другие проблемы теории Большого Взрыва, включая факт равномерного распределения вещества во Вселенной. Мгновенное раздувание сыграло роль своего рода космического миксера. Все это как нельзя лучше подходило для некоторых критиков типа Хелтона Арпа и Фреда Хойла, независимо от элегантности математического описания и хорошего согласия различных теорий. Но такие критики довольно одиноки. Хотя многие физики с трудом принимают некоторые аспекты теории Большого Взрыва и теории раздувания, они склонны подвергать сомнению лишь более мелкие вопросы, не покушаясь на теории в целом.

В настоящий момент концепция Большого Взрыва считается наилучшим объяснением возникновения нашей Вселенной. Особый акцент нужно сделать на слово нашей. Не следует забывать о других доменах, границы которых для нас навсегда останутся за пределами досягаемости. В своей книге «Таинственная мелодия» [3], вышедшей в 1995 г., французский физик Трин Ксуань Туань пишет: «Наша Вселенная — лишь крошечный пузырек, затерянный в пространстве другого пузыря — метавселенной, или супервселенной, размеры которой в триллионы триллионов раз больше. И эта метавселенная сама затеряна среди множества других метавселенных, причем все они образовались на протяжении эпохи раздувания из бесконечно малых по размерам областей пространства, совершенно не связанных друг с другом». Грандиозность такой проницательности завораживает и ошеломляет. Некоторых даже пугает. Другие считают, что она сходна с религиозной идеей, которая может тревожить или утешать — в зависимости от ваших убеждений. Некоторые интерпретаторы стараются подчеркивать, что Жорж Леметр, впервые выдвинувший представление, которое в конце концов вылилось в теорию Большого Взрыва, был прежде всего епископом католической церкви и лишь затем — физиком, тогда как Фред Хойл, поборник теории стационарной Вселенной, — атеист. В этом, возможно, не так уже много смысла: в одной из своих работ сторонник Большого Взрыва Стивен Хокинг сказал, что «не видит необходимости в привлечении Бога».

Постоянно совершенствуемые мощные телескопы и компьютеры позволяют нам наблюдать или моделировать все более далекие области нашей Вселенной. В то же время квантовые эксперименты дают возможность все глубже проникнуть в причудливый мир субатомных частиц. И, по-видимому, неизбежно, что некоторые новые сведения свидетельствуют в пользу теории Большого Взрыва, тогда как другие открытия не согласуются с ней и вынуждают преодолевать новые препятствия. И июне 2000 г. на первой полосе газеты «New York Times» был помещен рассказ об австралийском телескопе-роботе, который позволил получить первую крупномасштабную карту скоплений галактик, образующих нечто вроде космических континентов. Хотя эти континенты и оказались колоссальными, их размеры не превысили предсказанных теорией Большого Взрыва. Газетный заголовок гласил: «Телескоп-робот подтверждает предположение о рождении Вселенной». Однако ранее эта газета не раз помещала на своих страницах заголовки, касающиеся открытий, в которых оспаривались другие положения теории Большого Взрыва. Некоторые оптимисты, в том числе Стивен Хокинг, считают, что мы близки к пониманию Вселенной в целом и что Теория Великого Объединения не за горами. Но даже среди сторонников Большого Взрыва много тех, кто полагает, что мы только начинаем постигать, как устроена Вселенная, и что, скорее всего, нам никогда не удастся раскрыть до конца ее тайны.