Книга Бытия. Общая история происхождения - Гвидо Тонелли

Своим окончательным успехом теория Большого взрыва и на этот раз обязана результатам экспериментов. Среди теоретических выводов, сделанных на основании новой космологической теории в 1950-е годы, было предсказание фонового излучения, пронизывающего всю Вселенную и остающегося с того самого момента, когда фотоны окончательно отделились от остальной материи, чтобы с тех пор непрерывно флуктуировать вокруг нас. Это очень слабые электромагнитные волны, невероятно растянутые за миллиарды лет расширения пространства-времени и очень низкоэнергетические: они нагревают межзвездные пустоты до температуры всего в несколько градусов по шкале Кельвина.

Знаменитое открытие этого излучения двумя американскими астрономами Арно Пензиасом и Робертом Уилсоном (Вильсоном) в 1964 году было практически случайным. Пензиас и Уилсон неделя за неделей пытались наладить радиоантенну, которую хотели использовать для астрономических наблюдений в микроволновом диапазоне, но им никак не удавалось избавиться от странной помехи, идущей, казалось, из любой точки небосвода. Сначала они подумали, что помеха приходит от расположенной в окрестности лаборатории радиостанции, потом стали думать о разнообразных электромагнитных возмущениях, возникающих в результате хозяйственной деятельности вокруг Нью-Йорка, под конец они начали грешить на пару голубей, которые устроили себе гнездо прямо в антенне и то и дело наносили на часть устройства специфический диэлектрик белого цвета (проще говоря, помет), но потом все-таки сдались и опубликовали свои результаты в виде короткого письма. Открытие космического микроволнового фонового излучения, приходящего со всех направлений, и наблюдение, что у Вселенной температура на уровне нескольких кельвинов, или около –270° по шкале Цельсия, обозначили окончательную победу новой теории. Пензиас и Уилсон зарегистрировали эхо Большого взрыва, родоначальника всех последующих катастроф, первичного события, доказательства, что начало всему было положено 13,8 миллиарда лет назад.

Вселенная, родившаяся из пустоты

В действительности даже в годы его наибольшей популярности, когда термин окончательно вошел в обыденный лексикон и о Большом взрыве начали говорить в телепередачах и писать в детских комиксах, сомнения в среде ученых оставались.

Хотя все более точные измерения микроволнового фона давали все более надежные подтверждения, никак не удавалось разрешить один ключевой вопрос. В самом деле, традиционная теория Большого взрыва рождала грандиозную проблему: если Вселенная родилась из точки, где была сконцентрирована колоссальная масса и энергия, то есть из системы исключительно плотной и горячей, которая стала потом быстро расширяться и охлаждаться, то что за физическое явление могло послужить причиной возникновения столь необычного состояния? До некоторой степени это тот же самый вопрос, на который в своей шуточной манере намекает Итало Кальвино в коротком рассказе “Все в одной точке” из цикла “Космикомических историй”: “Каждая точка каждого из нас совпадала с каждой точкой всех прочих, потому что ведь мы все находились в одной-единственной точке”. Подобное предположение привело намного раньше Хорхе Луиса Борхеса к его великолепному “Алефу”. Заглавием рассказа служит первая буква древнееврейского алфавита, обозначающая также первичную цифру, содержащую в себе все числа, а сам рассказ повествует о маленькой загадочной сфере, в которой можно увидеть всю Вселенную целиком.

Итак, под оболочкой надежно установленной теории родился грандиозный вопрос: какой механизм мог привести к условиям столь необычным, что одна безразмерная точка обрела бесконечную массу и бесконечную кривизну, то есть к тому, что физики называют сингулярностью?

Простое и внутренне элегантное решение может оказаться совсем под рукой. Те же самые уравнения, которые описывают расширение, сдерживаемое гравитационными силами, можно использовать для описания и противоположного процесса – неостановимого сжатия, необоримо приводящего к Большому сжатию[8], вселенской имплозии.

При определенных условиях расширение Вселенной может замедляться гравитационными силами и даже вообще прекратиться, сменившись последующей фазой сжатия. В этом случае медленно, но неуклонно росла бы плотность галактик внутри скоплений, а поэтому во всех уголках Вселенной увеличивались бы и плотность материи, и средняя температура. А потом все бы закончилось тем, что образовалось бы невероятно плотное скопление черных дыр, излучения и ионизованных атомов, которым не оставалось бы ничего другого, кроме как катастрофически коллапсировать в область пространства все меньшего размера – в конце концов до состояния точки. И вот вам, пожалуйста, – сингулярность, которая даст начало новому Большому взрыву, а из него родится новая вселенная – еще одно звено в бесконечной цепи сжатий и расширений. Сжим-разжим гигантской фисгармонии, складывающей свои мелодии из тактов продолжительностью в десятки миллиардов лет.

Предположение об участии нашей Вселенной в таком жизненном цикле, включающем рождение, смерть, возрождение, без конца и без начала, очень напоминает некоторые общие положения многих восточных философских систем. Сама Вселенная входит в круг Сансары, колеса бытия, куда пойманы все живые существа, обреченные на бесконечную серию перерождений. Решение симметричное и элегантное, обладающее тем преимуществом, что с легкостью разрешает проблему очевидного нарушения закона сохранения энергии: а иначе кто бы собрал в сингулярности всю энергию Вселенной?

Этот вариант развития событий оставался открытым на протяжении нескольких десятилетий, но потом такие рассуждения утратили основания из-за новых успехов астрономов и астрофизиков, когда им удалось провести более точные измерения скорости разлета галактик и космического микроволнового фонового излучения. Новые результаты дали начало новой космологии – уже как точной науке.

Со временем стало понятно, что звезды рассказывают нам о себе, пользуясь языком значительно более богатым и понятным, чем мы могли себе представить. Довольно скоро рядом с мощными оптическими телескопами встали гигантские параболические антенны, направленные в самые глубокие области космоса; как гигантские уши, они пытались услышать радиосигналы, приходящие от неизвестных звезд, испущенные далекими галактиками. Возникла радиоастрономия. Так было открыто целое семейство новых загадочных объектов, источников радиосигналов, и эти объекты получили экзотические названия вроде квазаров и пульсаров.

Потребовались еще десятилетия исследований, чтобы понять, что за этими новыми объектами и некоторыми характерными для них явлениями скрываются новые агрегатные состояния вещества: гравитационные силы, царящие внутри самых массивных космических тел, размалывают вещество до мельчайших компонентов, из-за чего возникают чудовищные плотности внутри нейтронных звезд и черных дыр.

Тот факт, что Вселенная наполнена фотонами самой разной длины волны – от десятков метров (радиоволны) до размеров субатомных частиц (высокоэнергетические гамма-всплески), подтолкнул ученых строить еще более изощренные приборы, как базирующиеся на Земле, так и орбитальные, с тем чтобы они могли регистрировать весь спектр электромагнитных излучений. В итоге была создана самая точная карта бесчисленных космических объектов, излучающих электромагнитные волны на самых разных частотах. Впечатляющий объем собранных данных позволил изучать Вселенную как единую физическую систему, которую можно исследовать, чтобы дать ответ на типичные в подобных случаях вопросы: какова ее полная энергия? каковы ее полный