Математика космоса. Как современная наука расшифровывает Вселенную - Йен Стюарт

Серьезный математический анализ, учитывающий конечность скорости света, предсказывает, что в таких обстоятельствах в реликтовом излучении должны наблюдаться повторяющиеся закономерности, когда одни и те же флуктуации располагаются на небе вполне различимыми кругами. Это происходит потому, что фотоны реликтового излучения, доходящие до Земли сегодня, начинали свой путь примерно с одинаковых расстояний — они имеют начало на сфере, на «поверхности последнего рассеяния». Если Вселенная конечна, а эта сфера больше, чем Вселенная, то она сворачивается и пересекается сама с собой. Пересечением двух сфер является окружность, и каждая точка на такой окружности благодаря свертыванию посылает микроволны к Земле в двух разных направлениях.

Мы можем проиллюстрировать этот эффект для двумерного аналога, где геометрия проще. Если квадрат на рисунке достаточно велик, чтобы содержать круг, никакого пересечения за счет свертывания не возникает. Если же квадрат достаточно мал, чтобы круг обернулся дважды, геометрия пересечений окажется более сложной.

Для плоского трехмерного тора квадрат следует заменить на куб, окружности — на сферы, а точки превратятся в окружности на гранях куба, которые опять же следует отождествить попарно. Пунктирные линии становятся конусами. С Земли (в этом случае) мы наблюдаем в небе пару особых окружностей, которые на самом деле представляют собой одну и ту же отдаленную окружность, видимую с двух этих направлений. Флуктуации реликтового излучения около этих двух окружностей должны быть почти идентичными, и это можно обнаружить при помощи статистических корреляций флуктуаций температуры фона: мы ожидаем увидеть одинаковую последовательность горячих и холодных участков вдоль каждой окружности, где «горячий» и «холодный» означают чуть более высокую или низкую температуру по сравнению со средней.

Из геометрии этих окружностей мы, в принципе, можем вывести топологию Вселенной и определить знак кривизны: положительна она, отрицательна или равна нулю. На практике пока все это не работает, хотя не известно почему — потому ли, что Вселенная не такова, как мы предполагаем, или потому, что она слишком велика, чтобы такие особые окружности возникали и были заметны.

Итак, какую же форму имеет Вселенная на самом деле?

Понятия не имею.

При взгляде с нашей удобной, гостеприимной планеты, которая кишит жизнью и богата природными красотами, остальная Вселенная выглядит враждебной, далекой, суровой и, в общем-то, не слишком важной. Однако, если смотреть с окраины Солнечной системы, наша родная планета съеживается до единственного голубого пикселя[79] на цифровой фотографии — знаменитая голубая точка на последнем снимке, который в 1990 году сделал Voyager 1. Этот снимок не входил в научную программу аппарата, но астроном и мечтатель Карл Саган решил, что это была бы хорошая идея. Фотография стала социальным и психологическим символом. Зонд при этом находился от Земли примерно на расстоянии Плутона: по космическим меркам, это еще практически у нас на задворках. Но уже здесь наш чудесный мир съежился до незначительного пятнышка. С ближайшей звезды даже камере получше всех тех, что у нас есть на данный момент, было бы трудно заметить наш родной мир. Если же смотреть с более далеких звезд, то нас будто и вовсе никогда не существовало — наше существование, а также существование Земли и Солнца никак не влияет на далеких братьев по разуму, и отсутствие нас во Вселенной тоже никак не повлияло бы на них. А если говорить о других галактиках, то даже наша родная Галактика становится крохотной и незначительной по космическим масштабам.

Подобные мысли учат смирению и показывают, насколько хрупка на самом деле наша планета. В то же время они заставляют проникнуться величием Вселенной. И, в более практической плоскости, задуматься о том, что можно там встретить и откуда все это появилось.

Несомненно, такие вопросы возникали и у доисторических людей. Можно с уверенностью сказать, что они возникали более 4000 лет назад у жителей Китая, Месопотамии и Египта, оставивших письменные свидетельства. Их ответы на эти вопросы свидетельствовали о богатом воображении, если считать работой воображения приписывание всего, что не понимаешь, невиданным божествам с самыми причудливыми телами и образом жизни, но в конечном итоге не несли никакой информации.

С течением столетий наука предложила собственные теории происхождения Вселенной. В среднем они были не такими увлекательными, как истории о черепахах, несущие на спинах наш мир, сражениях между богом в облике змеи и волшебной кошкой, вооруженной мечом, или о богах, которых разрезали на дюжину кусков и которые, будучи собранными вновь, оживали. Может оказаться, что современные научные теории не ближе к истине, чем те красивые и увлекательные истории, ведь научные ответы всегда чем-то обусловлены и отбрасываются, если новые данные им противоречат. Одна из популярнейших практически во все периоды научной эры теорий невыносимо скучна, поскольку, если она верна, то ничего не происходит: Вселенная не имеет никакого происхождения, потому что существовала всегда. Мне, правда, кажется, что такой вариант не позволяет до конца разобраться с вопросом, поскольку необходимо объяснить еще, почему она всегда существовала. Ответ «просто существовала, и все» еще менее удовлетворителен, чем привлечение к этой истории какого-то змеиного бога. Но многие думают иначе.

* * *

Сегодня большинство космологов думают, что вся Вселенная — пространство, время и вещество — возникла около 13,8 миллиарда лет назад[80]. Крупинка пространства-времени возникла из ниоткуда и расширилась с необычайной скоростью. Через одну миллиардную долю секунды первоначальное неистовство улеглось достаточно, чтобы возникли фундаментальные частицы, такие как кварки и глюоны; еще через одну миллионную долю секунды эти частицы соединились, чтобы образовать более знакомые нам протоны и нейтроны. Потребовалось несколько минут, чтобы они сошлись вместе и образовали простые атомные ядра. Атомы — это ядра плюс электроны, и должно было пройти еще 380 000 лет, чтобы к уже существующей смеси добавились электроны и возникли атомы простейших элементов: водорода, гелия и дейтерия. Только после этого вещество начало образовывать сгущения под действием гравитации, и со временем появились звезды, планеты и галактики. Космологи рассчитали этот график с большой точностью и необычайными подробностями.