Математика космоса. Как современная наука расшифровывает Вселенную - Йен Стюарт

Теперь на поверхность выплывает тонкий математический момент, на который до последнего времени, похоже, не обращали внимания: а совпадает ли точное решение сглаженной модели со сглаженным решением точной модели? Первое соответствует существующей теории, последнее — тому, как мы сравниваем наше решение с результатами наблюдений. Неявно предполагается, что два этих математических подхода дают примерно одинаковый результат — вариант модельного допущения, обычного для математической физики и прикладной математики, что малыми слагаемыми в уравнениях можно пренебрегать, и это не сильно скажется на решениях.

Это допущение часто оказывается верным — но верно оно не всегда, и есть указания на то, что в данном случае оно может привести к некорректным результатам. Томас Бухерт показал, что, когда уравнения Эйнштейна для неоднородной мелкомасштабной структуры усредняются для получения гладкого крупномасштабного уравнения, результат получается не тот, как если взять уравнения Эйнштейна для гладкой крупномасштабной модели. В этом уравнении имеется дополнительное слагаемое, отталкивающая «обратная реакция», порождающая эффект, сходный с действием темной энергии.

Наблюдения за далекими космологическими источниками тоже могут оказаться неверно интерпретированными, поскольку гравитационные линзы способны фокусировать свет, и тогда он кажется ярче, чем есть на самом деле. Средний эффект от такого фокусирования по всем отдаленным объектам одинаков для детальных моделей, неоднородных в малых масштабах, и их крупномасштабных усреднений, что на первый взгляд внушает надежду. Однако для отдельных объектов это неверно, а наблюдаем мы именно их. Здесь корректная математическая процедура заключалась бы в усреднении по световым траекториям, а не по обычному пространству. Если этого не сделать, то оценка наблюдаемой яркости объектов может измениться, но насколько именно, сильно зависит от распределения вещества. А его мы не знаем с точностью, достаточной, чтобы с уверенностью судить о том, к чему это приведет. Представляется, таким образом, что свидетельства в пользу того, что расширение Вселенной ускоряется, могут оказаться ненадежными по двум различным, но связанным причинам: обычные допущения о сглаживании могут дать некорректный результат как в отношении теории, так и в отношении наблюдений.

Еще один способ объяснить наблюдения High-z без привлечения темной энергии состоит в том, чтобы поиграть с Эйнштейновыми уравнениями поля. В 2009 году Джоэл Смоллер и Блейк Темпл использовали математику ударных волн, чтобы показать, что слегка модифицированный вариант уравнений поля имеет решение, в котором метрика расширяется со все возрастающей скоростью. Это объяснило бы наблюдаемое ускорение разбегания галактик без привлечения темной энергии.

В 2011 году в специальном выпуске журнала Королевского общества, посвященном общей теории относительности, Роберт Колдуэлл писал: «Пока представляется совершенно разумным, что эти наблюдения [High-z] могут быть объяснены новыми законами гравитации». Рут Дюррер охарактеризовала свидетельства в пользу темной энергии как слабые: «Наше единственное указание на существование темной энергии исходит от измерения расстояний и их связи с красным смещением». По ее мнению, остальные свидетельства устанавливают лишь тот факт, что расстояние, оцененное по красному смещению, оказывается больше, чем ожидалось исходя из стандартной космологической модели. Наблюдаемый эффект в принципе может означать вовсе не ускорение, и, даже если это все же ускорение, нет никаких убедительных оснований считать его причиной темную энергию.

* * *

Хотя мейнстримная космология по-прежнему сосредоточена на стандартной модели — Большой взрыв, описываемый метрикой ΛCDM, плюс инфляция, скрытая масса и темная энергия, — ропот несогласных постепенно становится все более заметным. На конференции по альтернативам стандартной модели в 2005 году Эрик Лернер заявил: «Предсказания Большого взрыва стабильно не оправдываются, каждый раз ситуацию приходится исправлять задним числом». Риккардо Скарпа сказал примерно то же самое: «Всякий раз, когда базовая модель с Большим взрывом не в состоянии предсказать то, что мы наблюдаем, к ней просто прикручивают что-нибудь новое». Годом раньше оба эти исследователя были среди подписантов открытого письма, предупреждавшего, что исследования альтернативных космологических теорий не финансируются, а научная дискуссия на эту тему попросту подавляется.

Подобные жалобы могли бы показаться просто проявлением зависти, но на самом деле они основаны на некоторых свидетельствах, не укладывающихся в общую канву, — это не просто философские возражения против трех добавлений к теории Большого взрыва. Космический телескоп Spitzer обнаружил галактики с таким большим красным смещением, что возникнуть они должны были меньше чем через миллиард лет после Большого взрыва. Если так, то доминировать в них должны молодые сверхгорячие голубые звезды. Но вместо этого галактики содержат слишком много постаревших холодных красных звезд. Это заставляет предположить, что данные галактики старше, чем предсказывает теория Большого взрыва, а значит, старше и Вселенная. Вдобавок некоторые звезды сегодня кажутся старше Вселенной. Это красные гиганты — настолько долгоживущие, что на сжигание достаточного количества водорода у них должно было уйти намного больше времени, чем 13,8 миллиарда лет — принятый на сегодня возраст Вселенной[91]. Более того, существуют громадные сверхскопления галактик с большим красным смещением — им тоже не должно было хватить времени на образование таких больших структур. По поводу этих интерпретаций ведутся споры, но третий из приведенных наблюдаемых фактов объяснить особенно трудно.

Если Вселенная намного старше, чем считается в настоящее время, то как можно объяснить те наблюдения, которые привели в свое время к созданию теории Большого взрыва? Главные из них — красное смещение и реликтовое микроволновое излучение плюс большое количество более тонких деталей. Может быть, фоновое излучение — не реликт рождения Вселенной; может, это просто звездный свет, который миллиарды лет носится по всей Вселенной, поглощается объектами и излучается вновь. Общая теория относительности сосредоточена на тяготении, тогда как в этом процессе участвуют также электромагнитные поля. Поскольку большую часть вещества во Вселенной составляет плазма, динамика которой управляется электромагнетизмом, странно кажется пренебрегать этими эффектами. Однако космология плазмы потеряла поддержку в 1992 году, когда данные COBE показали, что спектр реликтового излучения соответствует спектру излучения абсолютно черного тела.

А что красное смещение? Безусловно, оно существует и выявляется фактически повсеместно; кроме того, оно меняется с расстоянием. В 1929 году Фриц Цвикки предположил, что свет в движении постепенно теряет энергию, так что, чем большее расстояние он проходит, тем больше становится красное смещение. Говорят, что теория «усталости света» несовместима с эффектами растяжения времени, которые согласуются с космологическим (за счет расширения) происхождением красного смещения, но аналогичные теории с иными механизмами позволяют обойти эту конкретную проблему.