Достучаться до небес. Научный взгляд на устройство Вселенной - Лиза Рэндалл

РИС. 72. На примере вселенной–шарика можно видеть, как все точки на ее поверхности удаляются друг от друга при надувании шарика (расширении Вселенной)

Обратите внимание: в нашей аналогии точки не обязательно увеличиваются сами по себе — увеличиваются расстояния между ними. Именно так происходит и в реальной расширяющейся Вселенной. Атомы, к примеру, прочно скреплены электромагнитными силами и, естественно, не становятся больше. Не увеличиваются в размерах и такие относительно плотные и прочно связанные структуры, как галактики. Сила, заставляющая Вселенную расширяться, действует и на них тоже, но поскольку в них значительны и другие силы, то сами галактики не растут с общим расширением Вселенной. Действующие в них силы притяжения настолько существенны, что галактики сохраняют свои размеры, тогда как расстояния между ними непрерывно растут.

Разумеется, аналогия с воздушным шариком далеко не идеальна. У Вселенной три пространственных измерения, а не два, как у оболочки шарика. Более того, Вселенная велика и, вероятно, бесконечна по размеру, а не мала и искривлена, как поверхность шарика. Мало того, шарик существует в нашей Вселенной и расширяется в ней же, в отличие от Вселенной, которая существует и расширяется сама по себе. Но, несмотря на все ограничения, сравнение с шариком помогает представить, что такое расширение пространства. Каждая точка на ней удаляется одновременно от всех остальных точек.

Аналогия с шариком — на этот раз речь идет о его внутреннем содержимом — помогает понять и то, как Вселенная остывала, превращаясь из горячего плотного шара в нынешнее свое состояние. Представьте очень горячий шар, который вдруг начинает расширяться до очень больших размеров. Если сначала он, возможно, слишком горяч и до него невозможно дотронуться, то после расширения воздух в нем окажется намного прохладнее. Теория Большого взрыва утверждает, что первоначальная горячая и плотная Вселенная расширялась, одновременно остывая.

Надо сказать, что еще Эйнштейн вывел гипотезу о расширении Вселенной из уравнений общей теории относительности. Однако в то время никто еще не измерил и не обнаружил это расширение экспериментально, и Эйнштейн не поверил собственным выводам. Пытаясь примирить свою теорию со стационарной Вселенной, он ввел новый тип энергии, включив для этого в свои уравнения лямбда–член. После наблюдений Хаббла Эйнштейн отказался от этого искусственного средства и назвал его «величайшим заблуждением». Однако оказалось, что и гипотеза о дополнительной энергии не была полностью ошибочной. Как мы скоро узнаем, недавние измерения показывают, что так называемая космологическая константа, введенная Эйнштейном, действительно необходима для объяснения наблюдаемых явлений. В то же время ее измеренная величина, отвечающая за недавно обнаруженное ускорение расширения, оказалась примерно на порядок больше, чем та, что предлагал сам Эйнштейн, чтобы просто стабилизировать Вселенную.

Расширение Вселенной — прекрасный пример слияния походов «сверху вниз» и «снизу вверх» в физике. Теория гравитации Эйнштейна подразумевала, что Вселенная должна расширяться, но лишь с экспериментальным открытием этого расширения физики почувствовали себя на верном пути.

Сегодня мы называем число, определяющее скорость расширения Вселенной в настоящее время, постоянной Хаббла. Это постоянная величина в том смысле, что местное расширение в любой точке пространства идет с одинаковой скоростью. Однако параметр Хаббла не постоянен во времени. В прежние времена, когда Вселенная была более горячей и плотной, а гравитационные эффекты в ней проявлялись сильнее, она расширялась намного быстрее, чем сегодня.

Точно измерить постоянную Хаббла очень сложно, потому что мы сталкиваемся здесь с той самой проблемой, которую поднимали и раньше, — проблемой различения прошлого и настоящего. Нам нужно знать, как далеко от нас находятся галактики, испытывающие красное смещение, поскольку красное смещение определяется скоростью, а она связана с расстоянием через коэффициент в виде постоянной Хаббла. Именно связанные с этим неточные измерения были причиной двукратного занижения возраста Вселенной, о котором я говорила в начале этой главы. Неопределенность при оценке параметра Хаббла была примерно такой же, как и неопределенность возраста Вселенной.

Это противоречие к настоящему моменту практически разрешено. Параметр Хаббла измерен Венди Фридман из Гарвард–Смитсоновского центра астрофизики, так что скорость удаления галактики, отстоящей от нас на миллион световых лет, составляет примерно 22 км/сек. На основании этой величины мы теперь знаем, что возраст Вселенной составляет около 13,75 млрд лет. Погрешность в определении возраста все еще может составлять 0,2 млрд лет, но ошибиться вдвое мы уже не можем. Оставшаяся неопределенность тоже может показаться очень большой, но на самом деле получившийся диапазон достаточно узок, чтобы сегодня практически не влиять на наши представления об окружающем мире.

Теорию Большого взрыва подтвердили и еще два принципиально важных класса наблюдений, результаты которых прекрасно совпадают с ее предсказаниями. Один класс измерений основан одновременно на физике элементарных частиц и предсказаниях общей теории относительности и потому подтверждает то и другое одновременно; речь идет об измерении плотности различных элементов, таких как гелий и литий, в космосе. Относительное количество этих элементов, предсказанное теорией Большого взрыва, совпадает с реально измеренным. Это в некотором роде косвенное доказательство, так как для вычисления этих плотностей необходимы сложные и подробные расчеты, основанные на ядерной физике и космологии. Несмотря на это, случайное совпадение реально обнаруженного множества разных элементов с предсказанной маловероятно, и, скорее всего, это означает, что физики и астрономы на верном пути.

Когда американские ученые Роберт Уилсон и Арно Пензиас в 1964 г. случайно обнаружили фоновое микроволновое излучение с температурой 2,7 К, их открытие стало новым подтверждением теории Большого взрыва. Чтобы вы могли представить, что это за излучение, скажу, что ничего не может быть холоднее абсолютного нуля — нуля градусов по Кельвину. Фоновое излучение Вселенной теплее абсолютного нуля менее чем на три градуса.

Сотрудничество и приключения Роберта Уилсона и Арно Пензиаса (за которые они в 1978 г. были удостоены Нобелевской премии) — прекрасный пример того, как фундаментальная наука и технологии иногда объединяют усилия и достигают результата, которого никто не мог предугадать. В давние времена, когда фирма AT&T еще была в Америке телефонным монополистом, она сделала замечательную вещь — основала Лабораторию Белла, знаменитую Bell Labs, выдающийся исследовательский центр, где бок о бок проводятся фундаментальные и прикладные исследования.

В этой лаборатории работали и Роберт Уилсон — изобретатель всевозможных хитрых устройств, и Арно Пензиас — ученый. Оба они пользовались радиотелескопами и вместе работали над их усовершенствованием. Уилсон и Пензиас интересовались наукой и техникой, фирма AT&T, что понятно, интересовалась телекоммуникациями, поэтому радиоволны в небе представляли интерес для всех без исключения.

Преследуя конкретную радиоастрономическую цель, Уилсон и Пензиас обнаружили одну особенность, которую поначалу сочли просто необъяснимой помехой. Это был однородный фоновый шум, похожий на шум ненастроенного радиоприемника. Он не исходил от Солнца и не имел отношения к недавним ядерным испытаниям. Девять месяцев ученые пытались понять, что происходит, опробовав за это время все мыслимые и немыслимые объяснения (включая предположение о том, что антенны загрязнены голубиным пометом). Они проверили все, что пришло в голову, отчистили антенну от помета (или «белого диэлектрического вещества», как именовал его Пензиас) и даже перестреляли всех голубей в округе, но шум не уходил.