Математика космоса. Как современная наука расшифровывает Вселенную - Йен Стюарт

Это вполне разумно, если считать, что все расширение Вселенной придал начальный Большой взрыв. Когда Вселенная начала расти, ее собственная гравитация начала противодействовать этому процессу и тянуть ее обратно. Наблюдения указывают, что примерно до 5 миллиардов лет назад именно так и происходило. Расчеты основываются на законе Хаббла, который гласит, что скорость расширения растет на 218 километров в час на каждый дополнительный миллион световых лет расстояния. То есть скорость расширения увеличивается на 218 километров в секунду с каждым миллионом лет в прошлое; это значит, что каждый миллион лет после Большого взрыва она снижалась на 218 километров в секунду.

В главе 17 мы увидим, что это замедление расширения Вселенной, судя по всему, уже прекратилось, и теперь расширение вновь ускоряется, но не будем пока углубляться в этот вопрос.

* * *

Следующим шагом было получить независимые свидетельства, подтверждающие Большой взрыв. В 1948 году Ральф Альфер и Роберт Херман[86] предсказали, что Большой взрыв должен был, по идее, оставить отпечаток на уровнях излучения Вселенной в форме однородного космического микроволнового фонового излучения, или реликтового излучения. Согласно их расчетам, температура реликтового излучения — то есть температура источника, способного дать такой уровень излучения, — составляет около 5 K. В 1960-е годы Яков Зельдович и Роберт Дикке независимо друг от друга и заново получили тот же результат. Астрофизики Андрей Дорошкевич и Игорь Новиков поняли в 1964 году, что в принципе реликтовое излучение можно наблюдать и даже использовать для проверки гипотезы Большого взрыва.

В том же году коллеги Дикке Дэвид Уилкинсон и Питер Ролл начали строить радиометр Дикке для измерения реликтового излучения. Радиометр Дикке — это радиоприемник, способный измерять среднюю мощность сигнала в некотором диапазоне частот. Но прежде чем они успели закончить работу, их опередила другая группа. В 1965 году Арно Пензиас и Роберт Уилсон использовали принцип радиометра Дикке при работе с малошумящей рупорно-параболической приемной радиоантенной, созданной компанией Bell Laboratories для работы со спутниками связи Telstar. Пытаясь разобраться с источником назойливого «шума», они поняли, что шум этот имеет космологическое происхождение, а не возникает в результате какой-то недоработки в конструкции их электронных устройств. Шум не имел конкретного источника; вместо этого он был равномерно распределен по всему небу. Его температура равнялась примерно 4,2 K. Так впервые удалось пронаблюдать реликтовое излучение.

Интерпретация реликтового излучения вызывала в 1960-е годы горячие споры, и физики, предпочитавшие теорию стационарной Вселенной, утверждали, что реликтовое излучение — это рассеянный свет звезд далеких галактик. Но к 1970 году большинство ученых сошлось во мнении, что реликтовое излучение — свидетельство в пользу Большого взрыва. Хокинг назвал это наблюдение «последним гвоздем в гроб теории стационарной Вселенной». Решающим фактором послужил спектр этого излучения, очень похожий на излучение абсолютно черного тела, что противоречило теории стационарной Вселенной. Сегодня космическое микроволновое излучение считается реликтом, оставшимся от Вселенной, когда ей было всего 379 000 лет. В то время ее температура упала до 3000 K, в результате чего электроны получили возможность соединяться с протонами и образовывать атомы водорода. Вселенная стала прозрачной для электромагнитного излучения. Да будет свет!

Теория предсказывает, что реликтовое излучение не должно быть в точности одинаковым во всех направлениях. В нем должны быть очень маленькие флуктуации, порядок величины которых оценивается в 0,001–0,01 %. В 1992 году аппарат NASA под названием COBE (Cosmic Background Explorer — Исследователь космического фона) измерил эти неоднородности. Более подробно их структуру выявил зонд WMAP. Полученные подробности стали основным средством сравнить реальность с предсказаниями из различных вариантов теории Большого взрыва и других космологических сценариев.

* * *

Несколько лет назад, когда мы с семьей путешествовали по Франции, мы обратили внимание на забавную вывеску — Restaurant Univers (ресторан «Вселенная»). В отличие от выдуманного Дугласом Адамсом «Ресторана на краю Вселенной», навечно замершего на самом краю конечной точки пространства и времени, это была совершенно нормальная кафешка при отеле «Вселенная». Который, в свою очередь, был совершенно нормальным отелем в Реймсе и находился в идеально правильной точке пространства и времени для четырех усталых и голодных путешественников.

Научный вопрос, послуживший движущей силой для выдуманного Адамсом ресторана, звучал так: «Как закончится Вселенная?» Вероятно, не рок-концертом космологических масштабов, как считал он. Возможно, человечество и заслужило такой конец, но, может быть, все же не стоило бы навлекать такую страшную кару на другие цивилизации, которые могут оказаться рядом.

Возможно, Вселенная вообще никогда не закончится. Она могла бы расширяться вечно. Но в этом случае все постепенно сойдет на нет, галактики будут отдаляться друг от друга до тех пор, пока свет не потеряет способность преодолевать расстояние между ними, и тогда мы останемся одни в холоде и темноте. Впрочем, по мнению Фримена Дайсона, сложная «жизнь» могла бы продолжить существование, несмотря на так называемую «тепловую смерть» Вселенной. Но это была бы очень медленная жизнь.

В менее печальном для поклонников фантастики варианте Вселенная могла бы коллапсировать, повторив в обратном порядке процесс Большого взрыва и расширения. Она могла бы даже коллапсировать обратно в точку. Или ее конец мог бы оказаться более удручающим — Большим разрывом, при котором материя распадается, по мере того как темная энергия рвет ткань пространства-времени.

Это может оказаться окончательным Концом. Но можно допустить также, что после коллапса Вселенная могла бы возродиться вновь. Это уже теория осциллирующей Вселенной. Джеймс Блиш использовал ее в финале повести «Триумф времени». Возможно, фундаментальные физические константы после сжатия и начала нового цикла окажутся чуть другими; некоторые физики думают именно так. Другие так не считают. Может быть, от нашей Вселенной отпочкуются детки, во всем похожие на свою мать или совершенно иные. А может, и нет.

Математика позволяет нам исследовать все эти возможности, а однажды, может быть, поможет выбрать одну из них. До тех пор мы можем только рассуждать о конце всех вещей — или не всех, как вполне может оказаться.

Несколько лет назад теория возникновения Вселенной в результате Большого взрыва соответствовала всем существенным наблюдениям. С одной стороны, она предсказала температуру реликтового микроволнового излучения — этот ранний успех внес серьезный вклад в то, что теория была в конечном итоге принята[87]. С другой стороны, наблюдений было мало, а интервалы между ними были большие. По мере того как астрономы, пытаясь понять, что еще предсказывает теория Большого взрыва, получали более подробные измерения и проводили более обширные расчеты, начали появляться нестыковки.