Таинственные явления природы и Вселенной - Сергей Минаков

Как нам известно еще из школьного курса физики, на макроскопическом (то есть на «человеческом») уровне излучение можно представить состоящим из электромагнитных волн — колеблющихся сгустков электрической и магнитной энергии. Волны разной частоты вызывают разные физические эффекты, и мы знаем их под разными названиями. Видимому свету соответствует лишь узкая полоска во всем электромагнитном спектре. Волны с более высокой частотой называют рентгеновским излучением, а еще более высокочастотные — гамма-лучами. Двигаясь по частотам вниз, мы встретим микроволны, а за ними радиоволны. Все они распространяются со скоростью света.

По мере остывания огненного шара интенсивность излучения снижается, а его частота постепенно сдвигается от гамма-лучей к рентгеновскому диапазону и далее, к видимому свету. Через 300 тыс. лет после Большого взрыва температура становится достаточно низкой, и электроны и ядра объединяются в атомы. До этого электромагнитные волны часто рассеивались на заряженных электронах и ядрах. Однако с нейтральными атомами излучение взаимодействует очень мало, так что теперь волны начинают свободно распространяться по Вселенной, практически ни на чем не рассеиваясь. Свет и вещество разделяются. Другими словами, Вселенная вдруг становится прозрачной для света.

Что происходит дальше с космическим излучением? Ничего особенного. Частота электромагнитных волн и соответствующая ей температура продолжат уменьшаться по мере расширения Вселенной. В момент образования нейтральных атомов температура излучения составляла 4000 °C, приблизительно как на поверхности Солнца. Окажись мы там (правда, было бы немного жарковато), мы бы увидели Вселенную залитой ярко-оранжевым светом. К моменту около 600 тыс. лет после Большого взрыва цвет сменился бы на красный. Еще через 400 тыс. лет излучение уходит за пределы видимого диапазона, в инфракрасную часть спектра. Так что для нас Вселенная погрузилась бы в полную темноту. Частота волн продолжает медленно уменьшаться, и к настоящему времени — то есть приблизительно через 14 млрд лет после Большого взрыва — она опускается до микроволнового диапазона.

Это то самое космическое микроволновое излучение с температурой около 3–5 К (градусов Кельвина), которое было открыто двумя американскими радиоастрономами Арно Пензиасом и Рудольфом Вильсоном в 1965 году. Таким образом, теория Большого Взрыва (которую можно назвать космологией Фридмана — Гамова), предсказавшая это излучение, получила блестящее экспериментальное доказательство.

Эта история подтверждается многочисленными данными наблюдений, и нет особых оснований сомневаться в том, что в целом она верна.

Поистине удивительно, что мы можем наблюдать Вселенную такой, какой она была 14 млрд лет назад, и точно описывать события, происходившие спустя долю секунды после Большого Взрыва. Очень, очень близко к точке начала. Что в действительности случилось в тот момент, по-прежнему остается загадкой. Но мы все-таки рискнем пойти дальше, вооружившись самыми последними достижениями космологической теории.

В 1671 году Исаак Ньютон представил на суд Королевского общества телескоп нового типа — рефлектор.

Инфляция: в экономике — плохо, в космологии — хорошо!

Картину эволюции Вселенной, которую мы только что описали, можно называть классической космологической теорией. Это название будет вполне правомерным. Ведь до Эйнштейна, Фридмана и Гамова никто из физиков даже не пытался заговорить об эволюции Вселенной в целом. А если пытались, то только как агностики. Они просто замечали: физика этими вопросами заниматься не может и не должна, здесь начинаются территории философии и теологии. И это несмотря на то, что физика в строгом научном, «теоретико-экспериментально-математическом» виде существовала уже более трех веков!

Классическая теория эволюции Вселенной, как мы убедились, очень хороша. Но и она не универсальна.

Представьте себе, что вы получаете сообщение с далеких звезд: вашей тете нездоровится! Вы поворачиваетесь в разные стороны, еще и еще, и отовсюду получаете одно и то же сообщение. Как это можно объяснить? Одно из двух. Либо везде во Вселенной живут существа, которые почему-то очень беспокоятся о здоровье и самочувствии вашей тети. Довольно невероятно, не так ли? Либо все они как-то коммуницируют между собой. Иначе почему сообщения из разных, далеких областей Вселенной выглядят совершенно одинаковыми?

Как ни странно это звучит, но перед вами точное описание так называемой проблемы горизонта, которая возникает в классической космологии. Дело в том, что интенсивность микроволнового излучения, приходящего к нам со всех сторон, в высшей степени постоянна, а значит, распределение плотности и температуры Вселенной в те времена, когда испускалось это излучение, были исключительно однородными. Из этого наблюдения вытекает наличие определенного взаимодействия между излучающими областями, которое приводит к выравниванию плотностей и температур. Однако физические взаимодействия не могут распространяться быстрее света!

Со времени Большого взрыва электромагнитные волны (то есть, собственно, «свет») удалились от места, где они были испущены, на 40 млрд световых лет. Это так называемый радиус горизонта. Он ставит предел тому, как далеко мы можем видеть Вселенную, и задает максимальное расстояние, на котором могла бы быть установлена связь. Космическое излучение, которое мы наблюдаем, как раз и приходит к нам с расстояний, примерно равных радиусу горизонта.

Теперь пусть мы принимаем космические микроволны с двух противоположных направлений. Тогда области, где эти волны были испущены, находятся друг от друга на расстоянии двух радиусов горизонта. Но из этого следует, что они никак не могли бы взаимодействовать! Они не могли бы иметь одинаковую температуру, плотность и т. д. Тогда получается, что незадолго после Большого взрыва та часть Вселенной, которую мы сейчас наблюдаем, была разбита на тысячи маленьких областей, которые не могли сообщаться друг с другом. То есть никакой физический процесс не мог сделать огненный шар однородным, если бы он не был таким с самого начала.

Можно, конечно, сказать, что такой сделал Вселенную в самом ее начале Большой взрыв. Но мы знаем уже, теория Большого взрыва не определяет физических условий в самой точке взрыва. А раз никакой определенности нет, можно постулировать любые следствия. Поэтому здесь нет и никакого объяснения. В то, что Большой взрыв сам установил гармонию между множеством несвязанных областей Вселенной, можно только верить. Можно, например, заменить слова «Большой взрыв» словом «Бог» — и мало что изменится.

Точно так же трудно объяснить, что сила, которая после Большого взрыва заставляет частицы разлетаться, находится в тончайшей гармонии с гравитационным притяжением, замедляющим расширение огненного шара. Если бы плотность материи во Вселенной была больше, ее гравитационного притяжения хватило бы, чтобы остановить расширение и в итоге заставить Вселенную вновь сжаться до точечных размеров (сколлапсировать). Наоборот, при совсем не намного меньшей плотности Вселенная расширялась бы бесконечно и в ней не могли бы появиться какие бы то ни было неоднородности — звезды, галактики, планеты… Такая Вселенная оказалась бы заполненной только очень разреженным газом. Наблюдаемая плотность с точностью до нескольких процентов равна «критическому» значению, которое соответствует границе между этими двумя режимами. Чтобы спустя 14 млрд лет — то есть при нынешнем возрасте Вселенной — ее плотность оставалась почти равной критической, начальное состояние должно быть выверено с хирургической точностью. Вычисления показывают, что она не должна отличаться больше чем на одну десятитриллионную долю процента! Ясно, что таких совпадений по воле случая не бывает. Тогда почему это так?

Все это тесно соотносится с вопросом о геометрии Вселенной. Благодаря Александру Фридману мы знаем о связи между плотностью Вселенной и ее крупномасштабной геометрией. Вселенная будет замкнутой, если плотность выше критической, открытой — при более низкой плотности и плоской, если плотность в точности равна критической. Таким образом, вопрос, почему плотность Вселенной так близка к критической, можно заменить вопросом, почему геометрия пространства так близка к плоской. Физики так и поступили и стали говорить о проблеме плоской геометрии Вселенной.

Фактически и проблема горизонта, и проблема плоской геометрии ведут к одному и тому же фундаментальному и волнующему вопросу: что же в действительности произошло тогда, в момент Большого взрыва? Долгие десятилетия физикам даже не было понятно, как начать разговор на эту тему. Поэтому данные проблемы почти не обсуждались, пока на небосклоне космологической науки не появился похожий на студента-старшекурсника американский физик-теоретик Алан Гут.