Современная теория происхождения Вселенной удивительно успешна, но полна объяснительных пробелов. Ждите сюрпризов.

Джим Багготт — британский научный писатель, лауреат множества премий, живущий в Кейптауне, Южная Африка.

Было ли у Вселенной начало? Придёт ли ей конец? Как Вселенная превратилась в то, что мы видим сегодня: в «космическую паутину» звёзд, галактик, планет и, по крайней мере, на одной бледно-голубой планете то, что иногда выдаётся за разумную жизнь?

Не так давно подобные экзистенциальные вопросы считались не имеющими научных ответов. Тем не менее, учёные нашли некоторые ответы благодаря более чем столетию астрономических наблюдений и теоретических разработок, которые, сплетаясь воедино, породили космологическую теорию Большого взрыва. Эта выдающаяся теория подкреплена широким спектром астрономических данных, широко принята научным сообществом и прочно вошла в массовую культуру (по крайней мере, своим названием).

Не стоит слишком расслабляться. Несмотря на то, что современная теория Большого взрыва рассказывает весьма примечательную историю, она оставляет нам множество неудовлетворительно решённых вопросов, а недавние астрономические наблюдения грозят окончательно её опровергнуть . Теория Большого взрыва может очень скоро оказаться в кризисе.

Чтобы понять, почему, полезно осознать, что в этой теории заложено гораздо больше, чем сам Большой взрыв. То, что Вселенная должна была иметь историческое начало , было неизбежным следствием заключения о том, что пространство в ней расширяется .

Эдвин Хаббл

В 1929 году наблюдения далеких галактик американским астрономом Эдвином Хабблом и его помощником Милтоном Хьюмасоном дали замечательный результат. Подавляющее большинство изученных ими галактик удаляются от нас со скоростями, прямо пропорциональными их расстоянию. Чтобы получить некоторое представление об этих скоростях, представьте себе планету Земля, совершающую свое ежегодное паломничество вокруг Солнца со спокойной орбитальной скоростью около 30 километров в секунду. Хаббл и Хьюмасон обнаружили, что галактики удаляются со скоростью в десятки тысяч километров в секунду, что составляет значительные доли скорости света.

Жорж Леметр

Зависимость скорости от расстояния, предложенная Хабблом, была предсказана бельгийским теоретиком Жоржем Леметром за несколько лет до этого и сегодня известна как закон Хаббла — Леметра. Константа пропорциональности между скоростью и расстоянием — это постоянная Хаббла , мера скорости расширения Вселенной. На самом деле галактики не удаляются с такой высокой скоростью, и Земля не занимает никакого особого места в центре Вселенной. Галактики уносятся расширением пространства между нами, подобно тому, как две точки, нарисованные на сдутом воздушном шаре, будут разъезжаться по мере его надувания. Во Вселенной, где пространство расширяется, всё уносится друг от друга.

История Большого взрыва почти так же увлекательна, как и история самой Вселенной.

Чтобы определить расстояния до этих галактик, астрономы использовали так называемые переменные звёзды цефеиды в качестве «стандартных свечей» – космических маяков, вспыхивающих и гаснущих в темноте и способных подсказать нам, насколько они далеки. Однако в конце 1920-х годов эти эталонные звёзды были плохо изучены, и полученные по ним расстояния были сильно занижены, что привело учёных к переоценке постоянной Хаббла и скорости расширения. Астрономам потребовалось 70 лет , чтобы разобраться в этом вопросе.

Но подобные проблемы не имели отношения к основному выводу. Если пространство во Вселенной расширяется, то экстраполяция назад во времени с использованием известных физических законов и принципов предполагает, что в какой-то момент Вселенная была сжата до точки необычайно высокой плотности и температуры, представляющей огненное начало всего: пространства, времени, материи и излучения. Насколько нам известно, это произошло почти 14 миллиардов лет назад.

Фред Хойл

В радиопередаче BBC в 1949 году неординарный британский астроном Фред Хойл назвал это теорией «Большого взрыва». Название прижилось.

Конечно, теории недостаточно просто рассказать нам, когда всё началось. Мы требуем большего. Мы также ожидаем, что теория Большого взрыва расскажет историю нашей Вселенной, расскажет, как она развивалась с самого начала и как она превратилась в космическую сеть звёзд и галактик, которую мы видим сегодня. Теоретики свели это к простому экзистенциальному вопросу: почему существуют звёзды и галактики? Чтобы дать правильное объяснение, теория Большого взрыва сама развивалась, начиная с не столь скромного начала, по ходу дела приобретая столь необходимые дополнительные ингредиенты, в истории, почти столь же увлекательной, как и история самой Вселенной.

Теория Большого взрыва — это теория физической космологии, построенная на основе решений уравнений общей теории относительности Альберта Эйнштейна (по сути, теории гравитации Эйнштейна), применённых ко всей Вселенной. Сам Эйнштейн запустил этот процесс в 1917 году. Тогда он решил подтасовать собственные уравнения, чтобы получить решение, описывающее интеллектуально удовлетворительную статическую, вечную Вселенную. Десять лет спустя Леметр заново открыл альтернативное решение, описывающее расширяющуюся Вселенную. Хотя Эйнштейн отверг это решение как «совершенно отвратительное», столкнувшись с доказательствами, представленными Хабблом и Хьюмасоном, он в конце концов отрёкся от него.

Работая совместно с голландским теоретиком Виллемом де Ситтером, в 1932 году Эйнштейн представил новую формулировку своей теории. Во вселенной Эйнштейна- де Ситтера пространство расширяется, и предполагается, что Вселенная содержит ровно столько материи, чтобы применить мягкое гравитационное торможение, гарантируя, что расширение замедлится и в конечном итоге прекратится через бесконечное количество времени или настолько далеко в будущем, что это не будет иметь для нас значения сейчас. Эта «критическая» плотность материи также гарантирует, что пространство является «плоским» или евклидовым, что означает преобладание нашей привычной школьной геометрии: параллельные линии никогда не пересекаются, а углы треугольника в сумме составляют 180 градусов. Подумайте об этом по-другому. Критическая плотность создает Вселенную «Златовласки», которая в конечном итоге будет как раз подходящей для обитания человека. По определению, расширяющаяся Вселенная Эйнштейна- де Ситтера является ранней версией теории Большого взрыва. Она легла в основу космологических исследований на многие десятилетия.

Но проблемы начинаются, как только мы пытаемся использовать версию Эйнштейна — де Ситтера для описания нашей Вселенной. Она просто не работает.

Если бы Вселенная после Большого взрыва расширялась хотя бы на долю секунды быстрее или медленнее, звезды и галактики не сформировались бы.

Применение уравнений Эйнштейна требует принятия нескольких предположений. Одно из них, называемое космологическим принципом , предполагает, что в больших масштабах Вселенная однородна (одинакова повсюду) и изотропна (однородна во всех направлениях). Но если бы это было верно для нашей Вселенной в самые ранние моменты после Большого взрыва, материя была бы распределена равномерно во всех направлениях. Это проблема, потому что если бы гравитация действовала одинаково на всю материю во всех направлениях, то ничто не двигалось бы и, следовательно, никакие звезды или галактики не могли бы образоваться. Ранней Вселенной требовалась небольшая анизотропия , вкрапление областей избыточной материи, которые служили бы космическими «семенами» для образования звезд и галактик. Такая анизотропия не могла быть обнаружена во Вселенной Эйнштейна -де Ситтера . Так откуда же она взялась?

Ситуация быстро ухудшалась. Теоретики понимали, что для того, чтобы получить ту Вселенную, которую мы видим после Большого взрыва в версии Эйнштейна -де Ситтера , требуется необычайно тонкая настройка . Если бы Вселенная сразу после Большого взрыва расширялась хотя бы на долю быстрее или медленнее, то звёзды и галактики никогда бы не смогли сформироваться. Эта тонкая настройка была связана с критической плотностью материи, или «Златовлаской». Отклонения от критической плотности всего на одну стотриллионную – в большую или меньшую сторону – привели бы к появлению вселенных, сильно отличающихся от нашей, в которых не было бы никакой разумной жизни.

Стало еще хуже: теоретические исследования формирования спиральных галактик и наблюдательные исследования вращательного движения их звезд привели к еще одному явно неприятному выводу. Ни то, ни другое нельзя было объяснить, принимая во внимание всю видимую нами материю. Расчеты, основанные только на видимой материи звезд, предполагали, что даже если условия, позволяющие их образование, могут быть выполнены, спиральные галактики все равно должны быть физически невозможны, и модели вращения звезд в них должны выглядеть совершенно иначе. В довершение всего, когда астрономы сложили всю материю, которую удалось идентифицировать во всех видимых звездах и галактиках, они обнаружили лишь около 5 процентов материи, необходимой для критической плотности. Где же была остальная Вселенная? В нашей Вселенной было явно больше, чем можно было обнаружить в версии теории Большого взрыва Эйнштейна -де Ситтера .

Решения некоторых из этих проблем можно найти, только оглянувшись назад, к самому началу истории Вселенной, и, поскольку этот момент недоступен астрономам, теоретикам вновь пришлось разбираться в том, что могло произойти.

В начале 1980-х годов группа теоретиков пришла к выводу, что в самые ранние моменты своего существования Вселенная после Большого взрыва была достаточно мала, чтобы подвергаться случайным квантовым флуктуациям — временным изменениям количества энергии, присутствующей в определенных точках пространства, регулируемым принципом неопределенности Вернера Гейзенберга. Эти флуктуации создавали крошечные концентрации избыточной материи в некоторых местах, оставляя пустоты в других. Эта анизотропия затем была бы отпечатана на большей Вселенной безумным взрывом экспоненциального расширения, называемым космической инфляцией . Таким образом, крошечные концентрации материи росли, чтобы служить семенами, из которых позже возникли бы звезды и галактики. В определенной степени космическая инфляция также исправила некоторые аспекты проблемы тонкой настройки. Она была похожа на тупой инструмент: независимо от того, какие условия могли преобладать в самом начале, космическая инфляция вковала бы Вселенную в желаемую форму.

Теоретики также предположили, что горячая, молодая Вселенная вела бы себя как шар электрически заряженной плазмы, более жидкий, чем газ. Она содержала бы материю, полностью разложившуюся до элементарных составляющих, и собирала бы атомные ядра и электроны только при достаточном понижении температуры в результате дальнейшего расширения. Они понимали, что всего через несколько сотен тысяч лет после Большого взрыва наступил бы особый момент, когда температура упала бы достаточно низко, чтобы позволить положительно заряженным атомным ядрам (протонам и ядрам гелия) и отрицательно заряженным электронам объединиться, образовав нейтральные атомы водорода и гелия. Этот момент называется рекомбинацией .

Свет, который плясал между заряженными частицами в плазменном шаре, вырвался наружу во всех направлениях пространства, и Вселенная стала прозрачной: буквально, наступил момент «да будет свет». Часть этого света была бы видна, хотя, очевидно, вокруг не было никого, кто мог бы его увидеть. Это старейший свет во Вселенной, известный как реликтовое излучение .

Подобно кровавому отпечатку большого пальца на месте космического преступления, он оставил след в виде колебаний температуры по всему небу.

Это излучение продолжало охлаждаться по мере расширения Вселенной: оценки 1949 года предполагали, что сегодня оно имеет температуру около 5 градусов выше абсолютного нуля (или -268 ^° C), что соответствует микроволновому и инфракрасному излучению. Эта оценка была в значительной степени забыта, и только в 1964 году она была вновь открыта. Год спустя, когда физики с трудом создавали аппаратуру для его поиска, американские радиоастрономы Арно Пензиас и Роберт Уилсон случайно обнаружили его. Это открытие изменило всё. Реликтовое космическое излучение, свидетель событий, происходивших в младенчестве Вселенной, готовилось дать свои показания.

Крошечные концентрации материи, порождённые квантовыми флуктуациями и закреплённые в более обширной Вселенной в результате космической инфляции, могли бы сделать реликтовое излучение в некоторых местах чуть горячее, чем в других. Это привело к появлению узора температурных колебаний в реликтовом излучении по всему небу, напоминающего кровавый отпечаток пальца на месте космического преступления.

Эти небольшие температурные колебания были обнаружены прибором на борту спутника NASA «Cosmic Background Explorer» и представлены в 1992 году. Джордж Смут, возглавлявший проект по их обнаружению, с трудом находил превосходные степени, чтобы передать важность открытия. «Если вы религиозны, — сказал он, — это как увидеть Бога». Доказательства были налицо. Мы обязаны самим своим существованием анизотропии распределения материи, созданной квантовыми флуктуациями в ранней Вселенной после Большого взрыва, которые повлияли на более широкую Вселенную космической инфляцией.

Но космическая инфляция не могла решить проблемы, поставленные физикой формирования галактик и вращения звезд, и она не могла решить проблему, поставленную недостающей плотностью. Любопытно, что часть решения уже была предложена вспыльчивым швейцарским астрономом Фрицем Цвикки в 1933 году. Его усилия были забыты, только чтобы быть вновь открытыми в 1970-х годах. Галактики намного больше, чем кажутся, что предполагает, что должна существовать форма невидимой материи, которая взаимодействует только посредством своей гравитации. Цвикки назвал ее dunkle Materie : темная материя . Каждая спиральная галактика, включая наш Млечный Путь, окутана гало темной материи, которое было необходимо для ее формирования и объясняет, почему звезды в этих галактиках вращаются именно так .

Это был важный шаг в правильном направлении, но этого оказалось недостаточно. Даже несмотря на то, что, по оценкам, тёмной материи во Вселенной в пять раз больше, чем обычной видимой, около 70 % Вселенной всё ещё не изучено.

Теперь у астрономов были доказательства из самого раннего момента в истории Вселенной, а также от объектов, существовавших гораздо позже в этой истории. Космическое фоновое излучение имеет возраст около 13,8 миллиардов лет. Но близлежащие галактики, расстояния до которых можно измерить с помощью переменных звезд цефеид, гораздо моложе. Мы можем получить некоторое представление об этом, признав, что свет не перемещается из одного места в другое мгновенно. На это нужно время. Свету требуется восемь минут, чтобы дойти до нас от поверхности Солнца, поэтому мы видим Солнце таким, каким оно было восемь минут назад, что называется «временем оглядки назад». Но цефеиды — это отдельные звезды, поэтому их использование в качестве стандартных свечей ограничено близлежащими галактиками с коротким временем оглядки в сотни миллионов лет. Чтобы реконструировать историю Вселенной, астрономам каким-то образом пришлось найти способ преодолеть огромную пропасть между этими точками в ее истории.

Изучать более далёкие галактики можно, но только наблюдая совокупность света всех звёзд, находящихся в них. Астрономы поняли, что когда отдельная звезда взрывается в виде впечатляющей сверхновой, она может на короткое время осветить целую галактику, показывая нам, где находится галактика и насколько быстро она расширяется. Время наблюдения можно увеличить с сотен до миллиардов лет. Определённый класс сверхновых может служить стандартной свечой, и расстояния до их родительских галактик можно калибровать, изучая сверхновые в соседних галактиках, содержащих одну или несколько переменных звёзд типа цефеид.

Ожидалось, что после Большого взрыва скорость расширения Вселенной со временем замедлится, достигнув скорости, которую мы измеряем сегодня, используя закон Хаббла-Леметра. Согласно теории Эйнштейна- де Ситтера , замедление продолжится и в будущем, в конечном итоге остановившись. Но когда в конце 1990-х годов астрономы начали использовать сверхновые в качестве стандартных свечей, их открытие оказалось поистине поразительным. Скорость расширения на самом деле ускоряется .

Дальнейшие данные свидетельствовали о том, что Вселенная после Большого взрыва действительно замедлялась, но около 5 миллиардов лет назад это замедление сменилось ускорением. По иронии судьбы, фальсификация, которую Эйнштейн ввёл в свои уравнения в 1917 году, а затем отказался от неё в 1932 году, теперь должна была быть возвращена обратно. Эйнштейн добавил в свои уравнения дополнительный «космологический член», управляемый «космологической постоянной», которая наполняет пустое пространство таинственной энергией. Единственным способом объяснить ускоряющееся расширение было восстановление космологического члена Эйнштейна в теории Большого взрыва. Таинственная энергия пустого пространства была названа тёмной энергией .

Мне нравится думать об этом, как о периоде, когда Вселенная пела

В 1905 году Эйнштейн продемонстрировал эквивалентность массы ( m ) и энергии ( E ) с помощью своего уравнения E = mc2 ^, где c — скорость света. Возможно, никого не удивит, что если вместо критической плотности материи выразить критическую плотность массы-энергии, то недостающие 70 процентов Вселенной будут приходиться на тёмную энергию. Это также может определить её окончательную судьбу . По мере того, как Вселенная продолжает расширяться, всё большая её часть будет исчезать из виду. И по мере того, как Вселенная становится холоднее, оставшаяся в пределах досягаемости материя может неумолимо прийти к «тепловой смерти».

Откуда мы знаем? Больше ответов можно найти в космическом фоновом излучении. Теоретики также предположили, что конкуренция между гравитацией и огромным давлением излучения в плазменном шаре после Большого взрыва могла бы вызвать акустические колебания – звуковые волны – везде, где был избыток материи. Эти звуковые волны распространялись бы со скоростью, превышающей половину скорости света, так что даже если бы кто-то рядом мог их услышать, эти звуки были бы неслышимы. Тем не менее, мне всё ещё нравится думать об этом периоде как о периоде, когда Вселенная пела .

Акустические колебания оставили красноречивые следы в температуре реликтового излучения и в крупномасштабном распределении галактик во Вселенной. Эти следы невозможно смоделировать без предварительного предположения о конкретной космологии, в данном случае – теории Большого взрыва, включающей тёмную материю и тёмную энергию. Результаты моделирования, представленные в 2013 году, говорят нам о том, в какой Вселенной мы живём: какова её общая плотность материи и энергии, форма пространства, природа и плотность тёмной материи, значение космологической постоянной Эйнштейна (и, следовательно, плотность тёмной энергии), плотность видимой материи и современная скорость расширения (постоянная Хаббла). Именно так мы это узнаём.

Но история ещё не закончена. Астрономы продолжали оттачивать своё понимание истории Вселенной, продолжая изучение цефеид и сверхновых с помощью космического телескопа «Хаббл». Поскольку эти исследования основаны на использовании стандартных свечей для измерения скоростей и расстояний, они дают измерения постоянной Хаббла и скорости расширения на поздних этапах истории Вселенной, которые не требуют предположения о какой-либо конкретной космологии. Постоянная Хаббла и скорость расширения, выведенные из анализа акустических колебаний, неизбежно являются модельно-зависимым предсказанием , поскольку они выводятся из событий, произошедших гораздо раньше в истории Вселенной. Некоторое время предсказание и измерения хорошо согласовывались, и теория Большого взрыва выглядела надёжной.

Однако примерно с 2010 года всё снова пошло не так. По мере повышения точности наблюдений предсказания и измерения разошлись. Разница невелика, но, по-видимому, существенна. Она называется напряжением Хаббла . Вселенная, по-видимому, расширяется немного быстрее, чем мы предсказали бы, моделируя акустические колебания, которые она испытывала в младенчестве. Представьте себе строительство моста, охватывающего весь возраст Вселенной, начатое одновременно с обеих сторон раздела: «ранней» и «поздней». Фундаменты, сваи и опоры моста были готовы, но инженеры, к своему разочарованию, обнаружили, что две стороны не совсем сходятся посередине.

Ситуация осложнилась появлением различных типов стандартных свечей, которые анализировать несколько проще, чем цефеиды, и сейчас конкурирующие группы астрономов обсуждают детали. Через пару лет мы узнаем, существует ли это противоречие. И если оно действительно существует, то один из способов его решения — ещё раз подкорректировать теорию Большого взрыва, предположив, что тёмная энергия ослабевает со временем, что эквивалентно предположению, что космологическая постоянная Эйнштейна на самом деле непостоянна. Некоторые предварительные доказательства этого были опубликованы в марте этого года.

И впереди ещё больше проблем. Космический телескоп имени Джеймса Уэбба, запущенный в Рождество 2021 года, способен видеть галактики с периодом развития более 13 миллиардов лет, охватывающим время всего в несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва. Наше понимание физики, основанное на современной теории, предполагает, что в этот период мы могли бы ожидать увидеть первые звёзды и галактики в процессе формирования. Однако телескоп видит уже полностью сформировавшиеся галактики и скопления галактик. Пока рано говорить о кризисе, но есть основания для серьёзного беспокойства.

Некоторым космологам это надоело. Теория Большого взрыва в значительной степени опирается на несколько концепций, для которых, несмотря на значительные усилия последних 20–30 лет, мы не получили никаких дополнительных эмпирических доказательств, выходящих за рамки элементарной необходимости. Теория удивительно успешна, но полна объяснительных пробелов. Космическая инфляция, тёмная материя и тёмная энергия — всё это необходимо, но все они сопряжены с серьёзными оговорками и сомнениями. Представьте себе попытку объяснить историю (человечества) XX века с точки зрения социальных сил фашизма и коммунизма, не имея возможности объяснить значение этих терминов: не зная их сути.

В открытом письме, опубликованном в журнале New Scientist в 2004 году, группа ренегатов-космологов заявила:

Ни в одной другой области физики такое постоянное обращение к новым гипотетическим объектам не было бы принято как способ преодоления разрыва между теорией и наблюдением. Это, как минимум, вызвало бы серьёзные вопросы о справедливости лежащей в её основе теории.

Это просто научное предприятие в действии. Ответы на некоторые из наших самых глубоких вопросов о Вселенной и нашем месте в ней порой могут казаться удручающе неполными. Нельзя отрицать, что, несмотря на все свои недостатки, современная теория Большого взрыва продолжает доминировать в космологии, и на то есть веские причины. Но уроки истории предостерегают от чрезмерного комфорта. Несомненно, нам ещё многое предстоит узнать об истории нашей Вселенной. Впереди нас ждут новые сюрпризы.

Как всегда, задача состоит в том, чтобы сохранять смирение перед лицом непостижимой Вселенной и быть открытым новому. Как однажды сказал Эйнштейн: «Истинность теории никогда не может быть доказана, ибо никогда не знаешь, не будет ли будущий опыт противоречить её выводам».

ИСТОЧНИК: Aeon https://aeon.co/essays/why-might-the-big-bang-theory-be-in-crisis-very-soon