10 ЗАПОВЕДЕЙ НЕСТАБИЛЬНОСТИ. ЗАМЕЧАТЕЛЬНЫЕ ИДЕИ XX ВЕКА - Чарльз Флауэрс

В описанной выше модели инфляционной Вселенной (читатель может представить себе раздувающийся шарик или мыльный пузырь) галактические структуры связываются друг с другом гравитационными силами, которые в некотором смысле усиливают процессы образования «не-однородностей» космоса, стягивая материю в достаточно крупные и устойчивые структуры. Разумеется, приведенная фраза содержит в себе противоречие, так как указанные процессы могут начинаться лишь после образования хоть каких-то неоднородностей в распределении вещества, но этот факт лишь иллюстрирует и подчеркивает противоречивость используемых нами экспериментальных данных.

Если бы предполагаемое стремительное расширение Вселенной по экспоненциальному закону продолжалось достаточно долго, то она должна была бы заполниться очень горячим излучением, следствием чего были бы чудовищные тепловые флуктуации и, соответственно, значительные нарушения в однородности распределения вещества. Действительно, астрономические наблюдения подтверждают возникновение заметных нарушений в однородности мира примерно через 300 тысяч лет после Большого взрыва.

Космология выгодно отличается от многих других теоретических построений науки XX века именно тем, что многие ее выводы можно проверить экспериментально. Например, описанные выше нарушения плотности (т. е. зародыши будущих галактик) должны были как-то повлиять на спектр фонового (реликтового) излучения космоса. Предсказываемые теорией слабые нарушения спектра удалось зарегистрировать в 1992 г. в рамках специальной исследовательской программы по изучению реликтового излучения космоса (СОВЕ, Cosmic Background Explorer), в соответствии с которой за 12 месяцев три микроволновых радиометра на борту спутника с высокой орбитой (около 900 км) различными, независимыми друг от друга методами дважды просканировали всю небесную сферу. Результаты измерений позволили выявить анизотропию фонового излучения, т. е. свидетельства неоднородности распределения вещества примерно через 300 тысяч лет после Большого взрыва, что позволило научному обозревателю газеты New York Times дать своему отчету об этих экспериментах красивый заголовок «Обнаружены складки на ткани пространства!».

Программа СОВЕ показала, что температурные неоднородности реликтового излучения действительно соответствуют структуре наблюдаемой нами Вселенной, поскольку на участках, температура которых когда-то была на 0,001% выше температуры окружения, мы сегодня видим яркие звезды, гигантские галактики или целые скопления галактик. В областях с более низкой температурой (на те же 0,001%) сегодня можно видеть лишь гигантские «пустоты», чудовищные провалы в пространстве. Ученые полагают, что указанные ничтожные отклонения температуры (позднее ставшие зародышами грандиозных космических структур) возникли под воздействием акустических волн, существовавших в самый начальный период зарождения Вселенной, когда ее возраст измерялся лишь триллионными долями… от миллиардных долей секунды!

В 2000 году в Антарктиде на высоту 37 километров был запущен огромный аэростат с аппаратурой (проект BOOMERanG), которая позволяла повысить точность регистрации космического излучения в десятки раз. Изучение спектра реликтового излучения в обширной и малоизученной до этого области над Антарктикой (примерно 2,5% площади небесной сферы) вновь выявило некоторые дополнительные флуктуации фона и еще раз подтвердило выкладки, основанные на теории Большого взрыва.

Наконец, в 2001 г. была осуществлена грандиозная международная программа картографирования звездного неба (на основе мощного англо-австралийского телескопа в австралийском городке Кунарабран) под общим названием «двумерный обзор красного смещения галактик». Анализ результатов такого сканирования еще раз подтвердил возможность существования упоминавшихся выше «изначальных» акустических волн в обширных областях размерами от 300 миллионов до 1,5 миллиардов световых лет, что и предсказывали теоретики.

Процесс картографирования и замеров параметров галактик продолжается, и сейчас (в рамках 5-летнего проекта под названием Sloan Redshift Sky Survey стоимостью в 80 миллионов долларов) создается уточненная трехмерная картина расположения примерно одного миллиона известных нам галактик. К лету 2001 г., когда закончился первый годичный цикл программы, уже были сфотографированы все галактики, удаленныеот Земли на 3 миллиона световых лет, что позволяет надеяться на обнаружение новых закономерностей в их зарождении и развитии.

Начало всякого процесса обычно таит в себе и намек на его окончание, поэтому космологи продолжают спорить о возможных вариантах конца или смерти Вселенной. Если мир подобен раздувающемуся воздушному шарику, то когда-нибудь его энергия иссякнет и он «схлопнется» внутрь (эта гипотеза, естественно, получила название Великого хлопка), в результате чего все вещество должно вновь вернуться в исходную точку и воссоздать начальную сингулярность, в которой энергия и масса составляли единое целое.

Ученые могли бы точнее предсказать будущее, если бы им было известно соотношение между кинетической и потенциальной энергиями в начальном состоянии. Нам известно, что энергия не возникает и не исчезает, а лишь преобразуется из одной формы в другую (или превращается в эквивалентное количество массы вещества). Дальность полета стрелы определяется ее кинетической энергией, а высота траектории – положением стрелы в потенциальном поле тяготения Земли, так что, зная параметры выстрела, можно определить и дальность, и высоту полета. Если потенциальная энергия мира в момент создания превышала кинетическую, то Великий хлопок неизбежен, и когда-нибудь Вселенная испытает чудовищный коллапс. В обратном случае расширение Вселенной будет продолжаться вечно и закончится ее полным угасанием и охлаждением в немыслимо раздувшемся пространстве. В иной формулировке мы могли бы точно предсказать судьбу Вселенной, зная соотношение между реально существующей и критической плотностями.

В связи с этим особое значение приобретает проблема так называемых «призрачных нейтрино». Эти крошечные частицы (масса которых в 6000 раз меньше массы электрона) чрезвычайно трудно регистрировать, однако заведомо известно, что их число несравнимо выше числа всех остальных субатомных частиц (электронов, протонов, кварков) вместе взятых, так что их общая масса может играть существенную роль в эволюции Вселенной.

Вполне вероятной представляется также модель, в которой энергия и масса Вселенной настолько точно сбалансированы и соответствуют требуемым критическим значениям, что Вселенная после начального взрыва будет расширяться и умирать вечно. Будущее мира в этой модели выглядит весьма неинтересным, и поэтому ее в шутку называют теорией Вечной скуки. В этом сценарии расширение будет постоянно замедляться, а вещество Вселенной будет постепенно «размазываться» по все большему объему, пока образовавшиеся на первом этапе звезды и галактики постепенно не выгорят и не погаснут, подобно углям догорающего костра. Никакие новые звездные или атомарные структуры после взрыва почти не образуются, и поэтому через миллиарды миллиардов… миллиардов лет Вселенная обратится в чудовищно расползшееся облако из свободных электронов, позитронов, нейтронов и излучения. Исходная сингулярность с бесконечными плотностью и температурой превратится в бесконечно расширяющееся пространство, заполненное холодными и инертными субатомными частицами, которые будут продолжать заполнять всё новые объемы (точнее, создавать их «из ничего»).

Следует подчеркнуть, что во всех описанных моделях остается много нерешенных задач, так что, например, сейчас физики ожесточенно спорят о «возрастном кризисе» Вселенной, поскольку все модели дают слишком большой разброс при вычислении момента Большого взрыва (от 10 до 20 миллиардов лет тому назад) и, соответственно, скорости ее расширения. Проблема осложняется и тем, что специалисты никак не могут определить точные расстояния между звездными объектами, не могут договориться о единой системе интерпретации данных по красному смещению и другим эффектам.

Изрядную путаницу в развитие теории внесло использование Эйнштейном своей знаменитой космологической константы, так как позднее обнаружилось, что во Вселенной может существовать еще один, пока необъяснимый источник сил, а именно так называемая «темная энергия». Ее наличие или отсутствие может существенно изменить предполагаемое соотношение между «видимой» материей и энергией. Возможность существования темной энергии (или отрицательной гравитации) недавно была подтверждена данными, полученными на космическом телескопе «Хаббл» при наблюдении последствий взрыва Сверхновой звезды 11 миллиардов лет назад. Эта Сверхновая взорвалась достаточно быстро после Большого взрыва, когда в юной по возрасту Вселенной гравитация была мощнее сил темной энергии. Позднее (возможно, лишь несколько миллиардов лет назад) ситуация изменилась и произошло так называемое «обращение», после которого темная энергия, т. е. отрицательная гравитация, стала доминирующим фактором развития. Считается, что сейчас темная энергия составляет около 65% так называемой «скрытой» Вселенной и что она может ускорять процесс расширения. Необычная яркость Сверхновой, по мнению ученых может служить доказательством прежнего преобладания сил обычной гравитации.Строение элементарных частиц сейчас вызывает мало споров, но продолжает таить в себе ряд загадок. В теории Большого взрыва считается, что протоны и нейтроны состоят из более фундаментальных частиц, называемых кварками, которые, к сожалению, до сих пор никому не удалось экспериментально зарегистрировать в чистом состоянии. Число предлагаемых теоретиками видов кварков и составляемых из них элементарных частиц возрастает настолько быстро, что многие физики начинают считать эту исключительно сложную теорию ошибочной, а ее развитие объясняют лишь недостатками нашего воображения и нехваткой экспериментальных данных. Им даже кажется, что истинная картина вполне может оказаться значительно проще и нагляднее, как это часто бывало в истории науки (Эйнштейн любил говорить, что научные гипотезы должны быть «…простыми, но не упрощенными»).