Удивительная космология - Лев Шильник

Астрофизиков экономические неурядицы занимают мало, однако современная космология с готовностью взяла на вооружение солидный термин, попутно вернув ему первоначальный смысл. Если в экономике инфляция всего лишь красивая метафора, то в космологии под ней понимается реальный физический процесс – стремительное раздувание вынырнувшего из сингулярности новорожденного пространства. Это закономерный и необходимый этап в истории очень ранней Вселенной, принципиально отличающийся от сменившего его тривиального расширения, о котором подробно рассказывалось в предыдущей главе. Немедленно возникает вопрос: для чего физикам понадобилось вводить дополнительную сущность, если старая добрая теория Большого взрыва, казалось бы, неплохо объясняла все наблюдаемые факты? Ведь даже знаменитый английский ученый Фред Хойл, еретик от астрофизики и оригинальный мыслитель, усердно развивавший теорию стационарной Вселенной, в конце концов сдался и принял концепцию Большого взрыва.

Дело в том, что в рамках традиционной модели не смогли найти разрешения несколько весьма важных космологических проблем. Прежде всего это так называемая проблема горизонта частиц и проблема плоскостности. Кроме того, стандартная модель не давала ответа на вопрос, что было до Большого взрыва, и не умела объяснить размеров наблюдаемой Вселенной (если теория Большого взрыва справедлива, то Вселенная должна быть много меньше). Эти досадные неувязки подобно занозам торчали из тела стандартной теории, и многие космологи откровенно закрывали на них глаза, полагая, что с течением времени они как-нибудь сами собой рассосутся. Однако события повернулись так, что из ничтожных мелочей вырос принципиально иной сценарий происхождения нашего мира. Нечто похожее в свое время приключилось с выдающимся немецким физиком Максом Планком, которого пытались отговорить от занятий теоретической физикой, поскольку эта наука практически завершена. Только отдельные пятнышки омрачают ее светлые горизонты, говорил ему наученный жизнью учитель, для чего же попусту тратить ваши лучшие годы на бестолковое наведение глянца? Планк, как известно, не послушался: вскоре он предложил гипотезу квантов и вывел свою знаменитую постоянную, положив тем самым начало новой, неклассической физике.

Разберем неувязки теории Большого взрыва по порядку. Начнем с проблемы горизонта частиц. Астрономические наблюдения показывают, что Вселенная исключительно однородна в больших масштабах. Температура реликтового излучения, как мы помним, составляет в среднем около 3 градусов Кельвина (2,725 К), причем отклонения температуры от среднего значения по различным направлениям совершенно ничтожны – они не превышают одной стотысячной (10-5). Расстояния, доступные современным телескопам, укладываются в величину порядка 10 миллиардов световых лет, и на этих пространствах мы наблюдаем в точности то же самое – поразительную «выглаженность» контрастов плотности. По современным представлениям, истинный размер Вселенной многократно превышает ее наблюдаемую часть, которую принято называть Метагалактикой. Поскольку начало мира состоялось примерно 13–14 миллиардов лет тому назад, свет от далеких объектов элементарно не успел до нас добраться – ему просто не хватило времени. Звезды и галактики, расположенные за горизонтом событий (если таковые там имеются), принципиально недоступны, ибо скорость света – максимально возможная из всех скоростей. Но внутри горизонта все частицы причинно связаны друг с другом, так как они давным-давно уже успели обменяться между собой необходимой информацией.

Закавыка в том, что теория Большого взрыва не в состоянии объяснить, каким образом этот обмен мог состояться. Горизонт прирастает (и всегда прирастал) со скоростью света, а взаимодействие между частицами в полном соответствии с теорией относительности неизбежно осуществляется со скоростями несколько меньшими. Космологи так и пишут: горизонт частиц всегда будет расширяться быстрее взаимного расстояния между двумя пробными частицами. Получается, что тепловое равновесие (а его существование – непреложный факт) никоим образом не могло быть достигнуто в рамках стандартной модели за истекшие 14 миллиардов лет.

Когда Вселенной было 300 тысяч лет от роду, температура плазмы существенно упала и началось образование нейтрального водорода. Излучение отделилось от вещества, и фотоны получили возможность беспрепятственно распространяться во все стороны. Этот момент времени принято называть эпохой рекомбинации, или эпохой последнего рассеяния. Понятно, что размер горизонта в ту далекую пору был значительно меньше нынешних 10 миллиардов световых лет и составлял приблизительно один мегапарсек (1 Мпк). Таким образом, на момент рекомбинации тепловое равновесие могло установиться на масштабах, не превышающих 1 Мпк. Сегодня участок такой величины имеет на небосводе угловой размер около 2 градусов, следовательно, мы вправе ожидать заметных колебаний температуры реликтового излучения, заполняющего Вселенную. Однако астрономические наблюдения показывают высокую степень изотропии на всех угловых масштабах: температурный перепад, как мы помним, не превышает трех стотысячных (3 × 10-5).

Помимо всего прочего, в рамках стандартной космологической модели остается непонятным сам механизм первоначального толчка. Какая сила привела миры в движение? Быть может, Вселенная возникла в результате чудовищного по мощности термоядерного взрыва неизвестной природы? Ведь в конце концов, стандартная космологическая модель, которая создана трудами Г. А. Гамова и других ученых, так и называется – теория Большого взрыва. Но при ближайшем рассмотрении немедленно выясняется: взрывные механизмы практически ничего не дают. При взрыве (химическом или термоядерном – значения не имеет) возникают разница давлений и неоднородное распределение вещества: в одну сторону его улетает больше, в другую – меньше. Кроме того, непременно существует особая точка – центр взрыва. В реальной же Вселенной ничего подобного не наблюдается: она на редкость однородна, а некая выделенная точка, которую можно было бы отождествить с центром, не обнаруживается. Уже упоминавшийся С. Г. Рубин, профессор МИФИ, пишет по этому поводу:

Это все равно, как если бы наша Земля имела идеальную форму шара с «горами» не более 40 метров высотой. Для сравнения: диаметр Земли примерно 1,2 × 107 метров. Трудно было бы тогда поверить в случайность ее происхождения.

Не меньше хлопот у стандартной космологической модели возникает и с так называемой проблемой плоскостности. Этот несколько неуклюжий оборот означает, что мы живем в практически плоском мире, описываемом геометрией Евклида, которую все изучали в школе. Как известно, физическое пространство может быть искривлено под влиянием гравитации. Собственно говоря, общая теория относительности Эйнштейна рассматривает гравитацию как своего рода отражение метрики пространства-времени. Вообразить наглядно искривленное трехмерное пространство нелегко, однако это можно без труда сделать, обратившись к соответствующим двумерным аналогам. Поверхность сферы представляет собой замкнутое двумерное пространство конечной площади, которое, тем не менее, не имеет границ. Гипотетические обитатели такого мира (это плоские существа, третье измерение им неведомо) могут перемещаться в любом избранном направлении, раз за разом пересекая одни и те же точки, но нигде не обнаружат края своей Вселенной. Сфера с растущим радиусом будет неплохим аналогом расширяющегося замкнутого трехмерного пространства. Подобная неевклидова поверхность описывается геометрией Римана, а сумма углов треугольника на ней больше 180 градусов. Неевклидова геометрия Лобачевского реализуется на поверхности гиперболоида или псевдосферы – сложной изогнутой структуры, напоминающей поверхность седла. Такие вселенные будут открытыми, а сумма углов треугольника в них будет меньше 180 градусов. Наконец, возможен промежуточный вариант – неискривленная плоскость, описываемая геометрией Евклида. Как и в случае сложной поверхности Лобачевского, этот плоский мир будет открытым и бесконечным по площади. Аналогичным образом может быть искривлено (или оставаться плоским) и наше трехмерное пространство, в котором мы живем.

Пространство реальной Вселенной на больших расстояниях, сравнимых с горизонтом частиц, как уже говорилось, практически плоское. Разумеется, это не исключает участков локальной кривизны, особенно вблизи крупных тяготеющих масс, но в космологических масштабах отклонение геометрии нашего мира от геометрии Евклида совершенно ничтожно. Геометрия пространства самым непосредственным образом связана с величиной, обозначаемой греческой буквой Ω, которая является отношением средней плотности вещества нашего мира к критической плотности. Если Ω равна единице, то наша Вселенная – идеально плоская структура. Если Ω больше единицы (плотность нашего мира выше критической), то Вселенная по достижении некоторого максимального радиуса начнет сжиматься под действием гравитации. В этом случае рано или поздно Большой взрыв сменится Большим крахом (или Большим хрустом), а Вселенная вновь обратится в точку и пропадет в сингулярности. Если Ω меньше единицы (плотность Вселенной ниже критической), мир будет расширяться неограниченно долго, а плотность вещества станет постепенно падать.