Наша математическая вселенная. В поисках фундаментальной природы реальности. Часть I. Все крупнее и крупнее (Макс Тегмарк, 2014)

Космические вопросы

Мальчик поднимает руку, и я жестом предлагаю задать вопрос. «А космос тянется без конца?» – спрашивает он.

Вот это да! Я только что закончил небольшой рассказ об астрономии в «Детском уголке» в Уинчестере (Массачусетс, США), где мои дети проводят время после уроков, и вся очаровательная группа детсадовцев, сидя на полу, глядит на меня большими вопрошающими глазами, ожидая ответа. А этот пятилетний малыш только что задал вопрос, на который я не могу ответить! На самом деле, ответить на него не может никто на планете. И все же это не безнадежный метафизический вопрос, а серьезный, научный: теории, о которых я вам расскажу, дают на этот счет ясные предсказания, а уже идущие эксперименты могут пролить на него еще больше света. Я считаю, что это важнейший вопрос о фундаментальной природе физической реальности, и он приведет нас к двум типам параллельных вселенных (гл. 5).

Год за годом следя за мировыми новостями, я чувствовал, как во мне растет мизантропия, но всего за несколько секунд этот малыш укрепил мою веру в потенциал человечества. Если пятилетний ребенок может говорить такие вещи, представьте только, на какие достижения способны взрослые в подходящих обстоятельствах! Он также напомнил мне о важности обучения. Все мы от рождения наделены способностью удивляться, но в какой-то момент школа обычно умудряется вытравить ее из нас. Я чувствую, что важнейшая моя задача как учителя не изложить факты, а разжечь эту угасшую страсть к вопрошанию.

Я люблю вопросы. Особенно глобальные. Я чувствую себя счастливым, потому что могу тратить львиную долю своего времени на интересные вопросы. То, что я могу называть эту деятельность работой и зарабатывать так на жизнь, – большая удача, превосходящая мои самые смелые надежды. Вот список из шестнадцати вопросов, которые мне чаще всего задают:

1. Как может пространство не быть бесконечным?

2. Как бесконечное пространство может быть создано за конечное время?

3. Куда расширяется Вселенная?

4. Где именно в пространстве произошел наш Большой взрыв?

5. Произошел ли наш Большой взрыв в одной точке?

6. Если возраст нашей Вселенной всего 14 млрд лет, то как мы видим объекты на расстоянии 30 млрд световых лет?

7. Не нарушают ли галактики, удаляющиеся быстрее света, теорию относительности?

8. Галактики действительно удаляются от нас – или это пространство расширяется?

9. Расширяется ли Млечный Путь?

10. Найдены ли следы сингулярности Большого взрыва?

11. Не нарушает ли закон сохранения энергии возникновение материи почти из ничего в ходе инфляции?

12. Что стало причиной нашего Большого взрыва?

13. Что было до нашего Большого взрыва?

14. Какова окончательная судьба нашей Вселенной?

15. Что такое темная материя и темная энергия?

16. Действительно ли мы несущественны для Вселенной?

На одиннадцать вопросов мы ответим в следующих четырех главах. Но сначала вернемся к детсадовскому вопросу, центральному для всей первой части книги: тянется ли космос бесконечно?

Насколько огромен космос?

Однажды отец дал мне совет: «Если ты задумался над сложным вопросом, на который не можешь ответить, займись сначала более простым вопросом, на который не можешь ответить». Последуем этому совету и выясним, какой минимальный размер должно иметь пространство, чтобы не противоречить наблюдениям. На рис. 2.1 показано, как поразительно выросли эти размеры: сегодня мы знаем, что пространство по крайней мере в миллиард триллионов (10²¹) раз превышает наибольшие расстояния, знакомые древним охотникам и собирателям, – те, что они могли пройти за время своей жизни.

Более того, на рисунке видно, что расширение наших горизонтов было не уникальным событием, а повторялось многократно. Всякий раз, когда людям удавалось заглянуть дальше и построить карту более крупных структур Вселенной, мы обнаруживали, что все известное нам прежде является частью чего-то большего. Как показано на рис. 2.2, наша родина – это часть планеты, которая является частью Солнечной системы, которая является частью Галактики, которая является частью паттерна скоплений галактик, который является частью наблюдаемой Вселенной, которая является частью одного или более уровней параллельных вселенных.

Рис. 2.1. Нижнее ограничение на размер нашей Вселенной постоянно растет. Заметьте, что шкала на вертикальной оси очень крутая: с каждым делением размеры возрастают в 10 раз.

Люди думали, что все видимое – это и есть все существующее, и высокомерно помещали себя в центр мироздания. Таким образом, недооценка была лейтмотивом наших поисков понимания космоса. И все же рис. 2.1 отражает и другую мысль, вдохновляющую меня: мы многократно недооценивали не только размеры космоса, но и силу человеческого разума, способного его понять. У наших пещерных предков был такой же большой мозг, как и у нас, и поскольку они не тратили вечера на просмотр телевизора, я уверен, что они задавались вопросами вроде: «Что это там такое в небе?» или «Откуда это все взялось?» Они пересказывали друг другу красивые мифы и легенды, но им и в голову не приходило, что они способны найти настоящие ответы на эти вопросы. И что секрет заключается не в освоении полетов в космос для изучения небесных тел, а в том, чтобы позволить взлететь разуму.

Нет лучшей гарантии неудачи, чем признать, что успех невозможен, а значит, не надо и пытаться. Задним числом кажется, что многие великие прорывы в физике могли случиться раньше, поскольку необходимые инструменты уже существовали. Проведем аналогию с хоккеем: люди не забивали шайбу в пустые ворота просто потому, что считали свою клюшку сломанной. В следующих главах я поделюсь впечатляющими примерами того, как Исаак Ньютон, Александр Фридман, Георгий Гамов и Хью Эверетт преодолели эту неуверенность. Мне очень нравится высказывание нобелевского лауреата Стивена Вайнберга: «Так часто бывает в физике – ошибка не в том, что мы слишком серьезно относимся к своим теориям, а в том, что не воспринимаем их достаточно серьезно».

Сначала выясним, как определить размеры Земли и расстояние до Луны, Солнца, звезд и галактик. На мой взгляд, это одна из самых ярких детективных историй всех времен, которая, можно сказать, породила современную науку. Так что я горю желанием поделиться ею с вами, как закуской перед основным блюдом – последними достижениями космологии. Как вы увидите, первые четыре вопроса не требуют ничего сложнее измерений углов. Они также проиллюстрируют, насколько важно удивляться, казалось бы, банальным наблюдениям – ведь они могут оказаться ключевыми уликами.

Рис. 2.2. Наша родина – это часть планеты (слева), которая является частью Солнечной системы, которая является частью Галактики (посередине слева), которая является частью паттерна скоплений галактик (посередине справа), которая является частью наблюдаемой Вселенной (справа), которая может быть частью одного или более уровней параллельных вселенных.

Размеры Земли

С древности люди замечали, что у корабля, уходящего за горизонт, корпус исчезает из виду раньше парусов. Это наводило на мысль, что поверхность океана искривлена и что Земля имеет сферическую форму, подобно Солнцу и Луне. Древние греки обнаружили прямое тому подтверждение, заметив, что Земля во время лунного затмения отбрасывает на Луну круглую тень (рис. 2.3). Хотя размеры Земли нетрудно оценить по виду парусных судов[5], Эратосфен около 2,2 тыс. лет назад выполнил более точные измерения, догадавшись, как воспользоваться для этого измерением углов. Он знал, что в египетской Сиене в день летнего солнцестояния Солнце в полдень оказывалось прямо над головой, однако в Александрии, расположенной на 794 км севернее, оно в это время находилось на 7,2° южнее зенита. Отсюда ученый вывел, что перемещение на 794 км соответствует прохождению 7,2° из 360° окружности Земли, а значит, длина этой окружности составляет около 794 км × 360° / 7,2° ≈ 39,7 тыс. км, что удивительно близко к современному значению (40 тыс. км).

Рис. 2.3. Во время лунного затмения Луна проходит сквозь тень, отбрасываемую Землей (вверху). Более двух тысяч лет назад Аристарх Самосский сравнил размер Луны с размером земной тени во время лунного затмения и верно определил, что Луна примерно в 4 раза меньше Земли. (Мультиэкспозиционная фотография Скотта Иварта.)

Занятно, что Христофор Колумб глубоко заблуждался, положившись на позднейшие, менее точные расчеты и перепутав арабские мили с итальянскими, отчего пришел к выводу, что ему нужно проплыть всего 3,7 тыс. км, чтобы достичь Востока, тогда как действительное расстояние составляло 19,6 тыс. км. Ясно, что он не получил бы средства на экспедицию, если бы сделал правильные расчеты, и, очевидно, он бы не выжил, если бы ему не подвернулась Америка. Так что иногда везение оказывается важнее правоты.

Расстояние до Луны

Затмения долго порождали страх, трепет и мифы. (Колумб, попав на Ямайке в затруднительное положение, сумел испугать аборигенов, «предсказав» лунное затмение 29 февраля 1504 года.) Однако затмения дают и замечательную возможность оценить размеры космоса. Аристарх Самосский заметил (рис. 2.3): когда Земля оказывается между Солнцем и Луной и происходит лунное затмение, тень Земли, падающая на Луну, имеет искривленный край, причем круглая тень Земли в несколько раз больше Луны. Аристарх также понимал, что эта тень немного меньше самой Земли, поскольку Земля меньше; он учел это в своих вычислениях и пришел к выводу, что Луна примерно в 3,7 раза меньше Земли. Поскольку Эратосфен уже определил размер Земли, Аристарх просто поделил его на 3,7 и получил размеры Луны! По-моему, именно тогда человеческое воображение наконец оторвалось от Земли и начало завоевывать космос. Великое множество людей до Аристарха смотрело на Луну, но он первым смог определить ее размеры. Он совершил открытие благодаря силе своей мысли, а не полету на ракете.

Один научный прорыв нередко ведет к следующему. Определение размеров Луны сразу позволило определить расстояние до нее. Вытяните перед собой руку и посмотрите, какие предметы вы можете заслонить мизинцем. Угол, который он закрывает, составляет около 1°, и это примерно вдвое больше, чем нужно, чтобы закрыть Луну – проверьте сами, когда ее увидите. Чтобы объект перекрыл угол в полградуса, расстояние до него должно быть примерно в 115 раз больше его размеров. Если, глядя из окна самолета, вы можете половиной мизинца закрыть 50-метровый (олимпийского размера) плавательный бассейн, то вы находитесь на высоте 115 × 50 м = 6 км. Аристарх рассчитал, что расстояние до Луны в 115 раз больше ее размера, что дало значение в 30 раз больше диаметра Земли.

Расстояние до Солнца и планет

А что можно сказать о Солнце? Попробуйте закрыть его мизинцем, и вы увидите, что оно перекрывает почти такой же угол, как и Луна: около половины градуса. Очевидно, что оно дальше Луны, поскольку во время солнечных затмений Луна закрывает его от нас (хотя и чуть-чуть), но насколько оно дальше? Это зависит от его размеров: например, если оно втрое больше Луны, то, чтобы перекрывать тот же угол, ему следует находиться в три раза дальше.

Аристарх Самосский смог дать разумный ответ и на этот вопрос. Солнце, Луна и Земля образуют прямоугольный треугольник в моменты, когда Луна оказывается в фазе первой или последней четверти, то есть когда Солнце освещает ровно половину обращенной к нам стороны Луны (рис. 2.4). Аристарх оценил угол между Луной и Солнцем в этот период время в 87°[6]. Таким образом, ученый узнал длину стороны Земля – Луна треугольника Земля – Луна – Солнце и смог с помощью тригонометрических формул вычислить длину стороны Земля – Солнце, то есть расстояние между Землей и Солнцем. Он пришел к выводу, что Солнце находится примерно в 20 раз дальше Луны, а значит, оно в 20 раз крупнее ее. Иными словами, Солнце имело колоссальный размер – в пять с лишним раз больше Земли в поперечнике. Это подтолкнуло Аристарха к тому, чтобы (задолго до Николая Коперника) выдвинуть гелиоцентрическую гипотезу: он чувствовал, что разумнее считать Землю обращающейся вокруг более крупного Солнца, нежели наоборот.

Рис. 2.4. Измерив угол между Солнцем и Луной в фазе первой или последней четверти, Аристарх Самосский получил возможность оценить расстояние до Солнца. (На этом рисунке масштаб не соблюден: Солнце примерно в 100 раз больше Земли и примерно в 400 раз дальше от нас, чем Луна.)

Эта история одновременно вдохновляет и предостерегает. Она учит тому, как важно найти оригинальный подход и верно оценивать погрешности измерений. Последнее у древних греков получалось хуже, и Аристарх, к сожалению, не исключение. Оказалось очень трудно определить, когда Луна освещена ровно на 50 %, а правильное значение угла между Луной и Солнцем в этот момент составляет не 87°, а около 89,85°, что очень близко к прямому углу. Это делает треугольник (рис. 2.4) очень длинным и узким: в действительности Солнце почти в 20 раз дальше, чем подсчитал Аристарх, и примерно в 109 раз больше Земли в диаметре (так что в объеме Солнца уместилось бы более 1 млн таких планет, как Земля). К сожалению, эта грубая ошибка оставалась неисправленной в течение 2 тыс. лет. Когда за дело взялся Коперник, рассчитавший размеры и форму Солнечной системы, он правильно определил взаимное расположение и относительные размеры планетных орбит, но масштаб его модели Солнечной системы был занижен примерно в 20 раз. Это все равно, что перепутать настоящий дом с кукольным.

Расстояние до звезд

А что можно сказать о звездах? Насколько они далеки? И что они такое? Я думаю, что это одно из величайших в истории «глухих» детективных дел. Определение расстояний до Луны и Солнца было впечатляющим достижением, но тут, по крайней мере, имелась в качестве подсказки некоторая информация: они интересным образом меняли свое положение на небе, их форму и угловые размеры можно было измерять. Но звезда представляется совершенно безнадежным случаем! Она кажется тусклой белой точкой. Вы присматриваетесь и видите… всю ту же тусклую белую точку без малейших признаков формы и размера. Просто светящуюся точку. И, похоже, звезды не перемещаются по небу, если не считать видимого вращения всех звезд вместе, которое является иллюзией, вызванной вращением Земли.

Кое-кто в древности считал, что звезды – это маленькие отверстия в черной сфере, сквозь которые просачивается далекий свет. Джордано Бруно, напротив, предположил, что звезды подобны нашему Солнцу, но находятся очень далеко и, возможно, обладают собственными населенными планетами. Эти рассуждения не понравились католической церкви, и Бруно сожгли в 1600 году на костре.

В 1608 году неожиданно появился проблеск надежды: был изобретен телескоп. Галилео Галилей быстро его усовершенствовал и, посмотрев на звезды, увидел… лишь белые точки. Возвращаемся на исходную позицию. У меня есть звукозапись, на которой я ребенком играю «Ты свети, звезда, мерцая» на пианино моей бабушки Сигне. Еще недавно, в 1806 году, когда эта песня появилась, строчка «Кто ты в темной вышине?» продолжала волновать многих, и никто не мог, положа руку на сердце, сказать, что он знает ответ.

Если звезды – это действительно далекие солнца, как предполагал Бруно, то они должны находиться гораздо дальше Солнца, чтобы светить так тускло. Но насколько дальше? Это зависит от того, насколько ярки они на самом деле. Спустя 32 года после сочинения песенки немецкий математик и астроном Фридрих Бессель сделал открытие. Выставьте вверх большой палец на расстоянии вытянутой руки и несколько раз попеременно закройте левый и правый глаз. Палец будто перепрыгивает вправо и влево на определенный угол относительно далеких предметов. Теперь поднесите палец немного ближе к глазам, и вы заметите, что угловая величина «прыжка» выросла. Астрономы называют эту угловую величину параллаксом, и, очевидно, ее можно применить, чтобы определить расстояние до пальца. На практике вам не требуется заниматься математическими вычислениями, поскольку мозг выполняет их без усилий, и вы этого даже не замечаете. Тот факт, что два глаза фиксируют разные углы для объектов на разном расстоянии, существенен для понимания системы восприятия дальности в мозге, наделяющей нас трехмерным зрением.

Если бы наши глаза были расставлены шире, мы лучше воспринимали бы глубину на больших расстояниях. В астрономии можно применить тот же метод параллакса, притворяясь, будто мы гиганты с глазами, разнесенными на 300 млрд м, что соответствует диаметру земной орбиты вокруг Солнца. Это можно сделать, сравнивая телескопические фотографии с шестимесячным интервалом, за который Земля перемещается на противоположную сторону своей орбиты. Бессель заметил, что положения звезд, за исключением одной, на снимках кажутся одинаковыми. Это звезда 61 Лебедя. Она, в отличие от других, смещалась на небольшой угол, показывая тем самым, что расстояние до нее почти в 1 млн раз больше, чем до Солнца, – это так далеко, что звездному свету требуется 11 лет, чтобы достичь нас, тогда как солнечный свет доходит к нам за 8 минут.

Вскоре были измерены параллаксы других звезд, так что стали известны расстояния до многих из них. Если вы ночью проследите за удаляющимся автомобилем, яркость его габаритных огней будет убывать обратно пропорционально квадрату расстояния до него (вдвое дальше – вчетверо слабее). Теперь, когда Бессель знал расстояние до звезды 61 Лебедя, он воспользовался законом обратных квадратов для вычисления ее светимости. Полученный результат оказался сопоставим со светимостью Солнца, что с запозданием подтвердило правоту Джордано Бруно.

Почти одновременно, в 1814 году, немецкий оптик Йозеф фон Фраунгофер изобрел спектроскоп, позволивший раскладывать белый свет на цвета и измерять их. Фраунгофер открыл в радуге загадочные темные линии (рис. 2.5) и выяснил, что их точные положения в цветовом спектре зависят от того, из чего сделан источник света, то есть они оказались своего рода спектральными отпечатками пальцев. В последующие десятилетия были измерены и занесены в каталоги спектры многих распространенных веществ. С помощью этой информации можно показать замечательный фокус на вечеринке и впечатлить друзей, определяя, что светится в их фонариках, лишь анализируя испускаемый ими свет и даже не подходя близко. Спектр солнечного света неожиданно показал, что Солнце, пылающий шар в небесах, содержит водород и некоторые другие элементы, хорошо известные на Земле. Более того, когда собранный телескопом звездный свет изучили с помощью спектроскопа, оказалось, что звезды в первом приближении состоят из той же смеси газов, что и Солнце. Это закрепило победу Бруно: звезды – это далекие солнца, сходные как по выделяемой энергии, так и по составу. Так за считанные десятилетия звезды превратились из непостижимых белых точек в гигантские шары горячего газа, химический состав которых можно определить.

Рис. 2.5. Радуга, сфотографированная моим сыном Александром, ведет не к горшку с золотом, а к золотой жиле информации об устройстве атомов и звезд. В гл. 7 мы узнаем, что соотношение интенсивности различных цветов объясняется тем, что свет состоит из частиц (фотонов), а положение и ширину многих темных линий можно вычислить с помощью квантово-механического уравнения Шредингера.

Спектр – это настоящая золотая жила астрономической информации, и всякий раз, когда вам приходит в голову, что вы выжали из него все, что можно, оказывается, что в нем закодировано что-нибудь еще. Спектр позволяет измерить температуру объекта, не прикасаясь к нему термометром. Вы и без прикосновения знаете, что раскаленный добела кусок металла горячее раскаленного докрасна, и, аналогично, беловатые звезды горячее красноватых. С помощью спектроскопа температуру можно определять очень точно. В качестве неожиданного бонуса теперь эта информация позволяет определить размеры звезды, подобно тому, как отгадывание одного слова в кроссворде помогает отгадать другое. Температура показывает, сколько света испускает каждый квадратный метр звездной поверхности. Поскольку можно вычислить общее количество испускаемого звездой света (по расстоянию до нее и видимому блеску), теперь можно определить и площадь поверхности звезды в квадратных метрах и узнать, насколько она велика.

Спектр звезды также содержит скрытые подсказки о ее движении, заключающиеся в небольших сдвигах частоты (цвета) излучения за счет так называемого эффекта Доплера – того самого, который превращает сигнал проезжающего мимо автомобиля в характерное «вжи-и-и-и-у-у-у…»: частота выше, когда автомобиль приближается к вам, а затем становится ниже, когда он начинает удаляться. В отличие от Солнца, большинство звезд состоит в устойчивых парных отношениях, кружась друг вокруг друга по постоянной орбите. Часто это кружение можно заметить благодаря эффекту Доплера, который заставляет спектральные линии звезд двигаться взад и вперед при каждом обороте. Величина этого смещения показывает скорость движения, а наблюдая за двумя звездами, можно иногда измерить расстояние между ними. В совокупности эта информация позволяет показать еще один замечательный фокус: мы можем взвешивать звезды, не помещая их на весы, а применяя ньютоновы законы движения и тяготения для вычисления того, насколько массивными должны быть звезды, чтобы двигаться по наблюдаемым орбитам. В некоторых случаях доплеровские смещения позволяют обнаружить планеты, обращающиеся вокруг звезды. Если планета проходит на фоне звезды, небольшое уменьшение звездного блеска позволяет определить размер планеты, а небольшое изменение в спектральных линиях показывает, есть ли у планеты атмосфера и из чего она состоит. Спектры – это благодатный дар природы. Определение ширины спектральных линий у звезд заданной температуры позволяет измерить газовое давление. А по тому, как спектральные линии расщепляются на две или более линий, можно измерить напряженность магнитного поля на поверхности звезды.

Подведем итоги. Вся имеющаяся у нас информация о звездах получена от доходящего до Земли слабого света, однако вдумчивая детективная работа позволила нам извлечь из него сведения о расстоянии до звезд, их размерах, массе, составе, температуре, давлении, магнетизме и о наличии у них планетных систем. То, что человеческий разум смог узнать все это из, казалось бы, непостижимых белых точек, – это триумф, который, я думаю, заставил бы гордиться собой даже Шерлока Холмса и Эркюля Пуаро!

Расстояние до галактик

Моя бабушка Сигне умерла в возрасте 102 лет. Я некоторое время раздумывал о ее жизни, и меня поразило, что она выросла в другом мире. Когда она пошла в колледж, известная нам Вселенная представляла собой лишь Солнечную систему и облако звезд вокруг нее. Она и ее друзья, вероятно, думали об этих звездах как о невообразимо далеких объектах: свет от ближайших из них идет к нам несколько лет, а от самых далеких – тысячи лет. Все это по современным меркам может считаться нашим уютным космическим двориком.

Если в ее колледже были астрономы, они могли рассуждать о туманностях – размытых облакоподобных объектах в ночном небе, среди которых попадались красивые спиральные формы, вроде изображений на знаменитом полотне Ван Гога «Звездная ночь». Что это за объекты? Многие астрономы считали их скучными межзвездными газовыми облаками, но некоторые придерживались более радикальных взглядов – они полагали, что это «островные вселенные», которые сегодня мы называем галактиками – огромные группы звезд, находящиеся столь далеко, что они не видны по отдельности в телескоп и поэтому кажутся туманной дымкой. Чтобы разрешить этот спор, астрономам требовалось измерить расстояние до некоторых туманностей. Но как это сделать?

Метод параллакса, который работал для ближайших звезд, не годился для туманностей: они настолько далеко, что их параллактические углы слишком малы для измерения. Как еще можно измерить большие расстояния? Если посмотреть в телескоп на далекую лампочку, можно заметить, что на ней напечатано «100 ватт», и это все, что вам нужно: просто воспользуйтесь законом обратных квадратов и вычислите, как далеко она должна находиться, чтобы иметь наблюдаемую яркость. Астрономы называют такие полезные объекты известной светимости стандартными свечами. Применяя вышеупомянутый детективный метод, астрономы с сожалением обнаружили, что звезды вовсе не стандартизированы: некоторые светят в миллион раз ярче Солнца, а другие в тысячу раз слабее. Однако если вы сможете, наблюдая звезду, увидеть, что на ней написано «4 × 10²⁶ ватт» (корректная маркировка для нашего Солнца), у вас появится стандартная свеча и возможность вычислить расстояние до нее точно так же, как до лампочки. К счастью, природа снабдила нас особым типом полезных в этом отношении звезд – их называют цефеидами. Это переменные звезды, светимость которых колеблется во времени из-за того, что они меняются в размерах. В 1912 году гарвардский астроном Генриетта Соун Ливитт обнаружила, что темп их пульсаций может служить ваттметром: чем больше дней проходит между двумя последовательными пульсациями, тем больше излучается ватт световой энергии.

У цефеид есть также то преимущество, что, будучи достаточно яркими, они видны на огромных расстояниях (некоторые из них светят в 100 тыс. раз ярче Солнца). Американский астроном Эдвин Хаббл открыл несколько таких звезд в Туманности Андромеды – диффузном пятнышке размером с Луну, которое можно увидеть невооруженным глазом, если забраться подальше от городских огней. Используя калифорнийский телескоп Хукера (его 2,5-метровое зеркало было тогда крупнейшим в мире), он измерил периоды их пульсации, рассчитал с помощью формулы Ливитт, какой они обладают светимостью, сравнил с их видимым блеском и вычислил расстояния до них. Когда он рассказал о своих результатах на конференции в 1925 году, у многих отвисли челюсти: он доказал, что Туманность Андромеды – это галактика примерно в 1 млн световых лет от нас, в тысячу раз дальше самых далеких звезд, которые моя бабушка видела на ночном небе! Теперь мы знаем, что Туманность Андромеды находится еще дальше – примерно в 3 млн световых лет, так что Хаббл невольно продолжил традицию ошибочной недооценки расстояний, идущую от Аристарха Самосского и Коперника.

Хаббл и другие астрономы продолжали открывать все более далекие галактики. Они раздвинули наши горизонты с миллионов до миллиардов световых лет, а мы в гл. 5 раздвинем их до триллионов световых лет и даже дальше.

Что такое пространство?

Так тянется ли космос бесконечно? К вопросу можно подойти двояко: путем наблюдений и теоретически. Пока мы следовали первому подходу, рассматривая, как хитроумные измерения открывали все более далекие области космоса без видимых признаков конца. Однако и теоретики достигли значительного прогресса. Прежде всего, как может пространство не тянуться бесконечно? Я объяснил детям, что было бы странно вдруг встретить знак, как на рис. 2.6, предупреждающий о достижении конца космоса. Я размышлял об этом, когда сам был ребенком: а что за этим знаком? Мне казалось, что беспокоиться о достижении конца космоса столь же глупо, как древним мореплавателям бояться упасть с края Земли. Так что я попросту заключил, что пространство бесконечно и тянется вечно. Еще Евклид пришел к выводу, что геометрия является частью математики и что бесконечное трехмерное пространство можно описать столь же строго, как и другие математические структуры вроде числовых множеств. Древнегреческий ученый разработал красивую математическую теорию бесконечного трехмерного пространства, а также его геометрических свойств, и люди долго считали ее единственным логически возможным способом существования нашего физического пространства.

Рис. 2.6. Трудно представить себе, что пространство может быть конечным. Если оно где-то заканчивается, то что находится дальше, за его краем?

Однако в середине XIX века математики Карл Фридрих Гаусс, Янош Бойяи и Николай Лобачевский независимо друг от друга открыли, что существуют и другие логические возможности для однородного трехмерного пространства. Бойяи в восторге писал отцу: «Из ничего я создал странный новый мир». Новые пространства подчиняются новым правилам: так, они более не обязаны быть бесконечными, каковым представлялось пространство Евклиду, а углы треугольника не обязательно дают в сумме 180°. Представьте себе треугольники на двумерных поверхностях трехмерных фигур. Сумма трех их углов больше 180° на сфере (рис. 2.7, слева), 180° на цилиндре (в середине) и меньше 180° на гиперболоиде (справа). Более того, двумерная поверхность сферы конечна, хотя на ней нет ничего похожего на край.

Этот пример показывает, что правила евклидовой геометрии могут нарушаться на поверхности, если она не плоская. Однако идеи Гаусса и других математиков были еще радикальнее: пространство может быть искривленным само по себе, даже если оно не является поверхностью чего-либо! Предположим, вы – слепой муравей, желающий знать, по какой из фигур на рис. 2.7 вы ползаете. Вы чувствуете себя так, будто живете в двумерном пространстве, поскольку не можете выйти в третье измерение (оторваться от поверхности), но это не препятствует вашей детективной работе: вы по-прежнему можете определить прямую линию (как кратчайший путь между двумя точками), а значит, и суммировать величины трех углов треугольника. Например, если вы получите 270°, то воскликнете: «Это больше 180°, значит, я на сфере!» Чтобы еще больше впечатлить друзей-муравьев, вы даже можете рассчитать, как далеко нужно пройти по прямой, чтобы вернуться в исходную точку. Иными словами, все обычные для геометрии объекты – точки, прямые, углы, кривые и т. д. – можно строго определить, оставаясь в двумерном пространстве безо всяких ссылок на третье измерение. Это означает, что математики могут строго определить кривизну двумерной поверхности, даже если третьего измерения не существует: двумерное пространство может быть искривленным само по себе, не являясь поверхностью чего-либо.

Рис. 2.7. Если нарисовать треугольники на этих поверхностях, сумма их углов окажется больше 180° (слева), 180° (посередине) и меньше 180° (справа). Эйнштейн считал, что в нашем трехмерном физическом пространстве для треугольников возможны все эти варианты.

Вероятно, математическое открытие неевклидовых пространств полтора столетия назад казалось большинству людей не более чем абстракцией, не имеющей практического отношения к нашему физическому миру. Затем Эйнштейн выдвинул общую теорию относительности, которая, по сути, утверждала, что мы – муравьи. Теория Эйнштейна позволяет нашему трехмерному пространству быть искривленным без всякого скрытого четвертого измерения, в котором оно искривлялось бы. Так что на вопрос, в пространстве какого типа мы живем, нельзя ответить, исходя из одной логики, как надеялись сторонники Евклида. Решить эту задачу можно, лишь выполнив измерения, например построив в космосе огромный треугольник (скажем, из лучей света) и проверив, равна ли сумма его углов 180°. В гл. 4 я расскажу, как мы с коллегами развлекались, проделывая это. Ответ оказался близок к 180° для треугольников размером с Вселенную, но значительно превосходящим 180°, если большую часть треугольника занимает нейтронная звезда или черная дыра. Так что форма нашего физического пространства сложнее, чем в трех примерах на рис. 2.7.

Вернемся к детскому вопросу о конечности пространства. Мы видим, что теория Эйнштейна позволяет пространству быть конечным далеко не таким глупым способом, как на рис. 2.6: оно может быть конечным за счет искривленности. Например, если наше трехмерное пространство искривлено подобно поверхности четырехмерной гиперсферы, то, будь у нас возможность достаточно далеко уйти по прямой линии, мы в конце концов вернулись бы домой с противоположной стороны. Мы не упали бы с края трехмерного пространства, поскольку у него нет края, как нет края и у сферы, по которой ползет муравей (рис. 2.7).

В действительности, Эйнштейн позволяет нашему трехмерному пространству быть конечным, даже если оно не искривлено. Цилиндр на рис. 2.7 в математическом смысле плоский: если нарисовать треугольник на бумажном цилиндре, сумма его углов составит 180°. Чтобы убедиться в этом, вырежьте из цилиндра треугольник: он ровно ляжет на стол. Со сферой или гиперболоидом это не получится сделать без складок или разрывов бумаги. Но хотя цилиндр на рис. 2.7 кажется плоским для муравья, ползущего по небольшому участку, цилиндр замкнут на себя: муравей может вернуться домой, обойдя его вокруг по прямой линии. Математики называют подобные характеристики связности пространства его топологией. Они дали определение плоскому пространству, замкнутому на себя по всем измерениям, и назвали такое пространство тором. Двумерный тор имеет такую же топологию поверхности, как у баранки. Эйнштейн допускает, что физическое пространство, в котором мы живем, представляет собой трехмерный тор и является в таком случае плоским и конечным. Или бесконечным.

Обе эти возможности прекрасно согласуются с лучшей имеющейся у нас теорией о пространстве – общей теорией относительности Эйнштейна. Но какое оно? В гл. 4 и 5 мы найдем свидетельство того, что пространство все-таки бесконечно. Но поиск ответа на детский вопрос приводит нас к другой проблеме: чем в действительности является пространство? Хотя все мы сначала думаем о пространстве как о чем-то физическом, образующем ткань нашего материального мира, теперь мы видим, что математики говорят о пространствах как о математических сущностях. Для них изучение пространства – то же самое, что изучение геометрии, а геометрия – просто часть математики. Вполне можно считать, что пространство – это математический объект в том смысле, что все внутренне присущие ему свойства – такие как размерность, кривизна и топология – математические. Мы рассмотрим этот аргумент в гл. 10.

В этой главе мы, изучив свое положение в пространстве, обнаружили, что Вселенная гораздо больше, чем казалось нашим предкам. Чтобы по-настоящему понять, что происходит на огромных расстояниях, можно вести наблюдения с помощью телескопов. Однако определить свое место в пространстве недостаточно. Нам необходимо знать и свое место во времени.

Резюме

• Раз за разом люди убеждались, что физическая реальность гораздо больше, чем мы представляли, что известный нам мир входит в состав куда более грандиозных структур: нашей планеты, Солнечной системы, Галактики, сверхскопления галактик и т. д.

• Общая теория относительности (ОТО) Эйнштейна допускает, что пространство может тянуться бесконечно.

• ОТО допускает альтернативные варианты: пространство конечно, но не имеет границы, так что если вы будете двигаться достаточно долго и быстро, то сможете вернуться с противоположной стороны.

• Ткань нашего физического мира, пространство само по себе может быть чисто математическим объектом в том смысле, что все имманентно присущие ему свойства (размерность, кривизна и топология) – математические.

Откуда взялась Солнечная система? Однажды в школе, во втором классе, мой сын Филипп вступил в полемику по этому вопросу. Разговор был примерно таким:

– Я думаю, Солнечную систему создал Бог, – сказала одноклассница.

– Мой папа говорит, что она возникла из гигантского молекулярного облака, – перебил Филипп.

– А откуда взялось гигантское молекулярное облако? – спросил другой мальчик.

– Может быть, Бог создал гигантское молекулярное облако, а после гигантское молекулярное облако породило Солнечную систему, – сказала девочка.

Бьюсь об заклад: с тех пор, как на Земле появились люди, они вглядываются в ночное небо и удивляются, откуда все взялось. Как и в прошлом, есть вещи, которые мы знаем, и вещи, которых мы не знаем. Нам многое известно о том, что существует здесь и сейчас, а также мы довольно много знаем о событиях, близко отстоящих в пространстве и времени – скажем, что находится у нас за спиной или что мы ели на завтрак. Двигаясь вдаль и в прошлое, мы в конце концов сталкиваемся с пределами своего знания. В предыдущей главе мы видели, как человеческая изобретательность постепенно отодвигала этот предел все дальше в пространстве. Теперь рассмотрим, как люди отодвигали эту границу во времени.

Почему Луна не падает на Землю? Ответ на этот вопрос станет для нас отправной точкой.

Как появилась Солнечная система?

Всего четыре столетия назад поиски ответа на этот вопрос казались безнадежными. Было открыто местоположение важнейших объектов, видимых невооруженным глазом: Солнца, Луны, Меркурия, Венеры, Марса, Сатурна и Юпитера. Работа Николая Коперника, Тихо Браге, Иоганна Кеплера и других астрономов также позволила разобраться в движении этих объектов. Оказалось, что Солнечная система напоминает отлаженный часовой механизм. Не было признаков того, что он в некоторый момент был запущен и однажды остановится. Но действительно ли он вечный? Если нет, откуда он появился? Насчет этого люди оставались в неведении.

В искусственных часовых механизмах, создававшихся в то время на продажу, законы, управляющие движением зубчатых колес, пружин и других деталей, были вполне ясны и позволяли рассчитать их поведение в будущем и в прошлом. Можно было предсказать, что часы продолжат тикать с постоянной частотой, а также что они в конце концов остановятся из-за трения, если их не завести. Осмотрев их, можно было, скажем, узнать, что их заводили в прошлом месяце. Существуют ли аналогичные точные законы, описывающие и объясняющие движение небесных тел, со своими подобными трению эффектами, которые постепенно изменяют Солнечную систему и могут указать, когда и как она образовалась?

Казалось, что ответ на этот вопрос – твердое «нет». Здесь, на Земле, мы добились прочного понимания того, как движутся в пространстве предметы – от брошенного камня до валуна, запущенного катапультой, или пушечного ядра. Однако законы, управляющие небесными телами, казались отличными от законов, управляющих объектами здесь, на Земле. Если Луна подобна гигантскому камню, то почему она не падает, как обычные камни? Классический ответ состоял в том, что Луна – это небесное тело, а небесные тела подчиняются иным законам. Скажем, она не подвержена земному притяжению и поэтому не падает. Некоторые шли дальше и предлагали следующее объяснение: небесные объекты ведут себя так, потому что они идеальны. Они имеют идеальную сферическую форму, поскольку именно сфера – идеальная фигура. Они движутся по круговым орбитам, поскольку окружность тоже идеальна. А падение стало бы столь неидеальным событием, насколько это вообще возможно. На Земле несовершенство повсеместно: трение замедляет движение, огонь сжигает, люди – смертны. В небесах, напротив, движение кажется не подверженным трению, Солнце не прогорает, и вообще нет никаких признаков конца.

Но эта безупречная репутация небес не выдержала испытания. Анализируя измерения Тихо Браге, Иоганн Кеплер установил, что планеты движутся не по окружностям, а по эллипсам, которые представляют собой вытянутые, а значит, не столь совершенные модификации окружностей. В свои телескопы Галилей увидел, что совершенство Солнца нарушается безобразными черными пятнами, а Луна – это не гладкая сфера, она покрыта горами и гигантскими кратерами. Почему же она не падает?

В конце концов на этот вопрос ответил Исаак Ньютон. Он выдвинул гипотезу насколько простую, настолько и радикальную: небесные тела подчиняются тем же законам, что и объекты на Земле. Да, конечно, Луна не падает, как брошенный камень, – но что если обычный камень тоже можно бросить так, чтобы он не падал? Ньютон знал, что камни падают наземь, а не улетают вверх, к Солнцу, и связал это с большей удаленностью Солнца и с тем, что гравитационное притяжение объекта ослабевает с расстоянием. Так можно ли метнуть камень вверх так, чтобы он ускользнул от земного притяжения прежде, чем тому хватит времени, чтобы поменять направление его движения на обратное? Сам Ньютон не мог этого сделать, но он понял, что гипотетическая суперпушка справилась бы с этим, придав камню достаточную скорость. Это значит, что судьба запущенного по горизонтали ядра зависит от его скорости (рис. 3.1): оно врежется в землю, только если его скорость меньше некоей магической величины. Если стрелять ядрами, придавая им все большую скорость, они, прежде чем упасть, будут пролетать все дальше, пока не достигнут скорости, при которой они будут сохранять высоту над Землей постоянной, не падая, а обращаясь вокруг Земли по окружности, – как Луна! Зная силу притяжения у земной поверхности из экспериментов с падающими камнями, яблоками и т. д., Ньютон смог вычислить магическую скорость: она составила колоссальные 7,9 км/с. Предположив, что Луна подчиняется тем же законам, что и пушечное ядро, ученый рассчитал скорость, необходимую ей, чтобы удерживаться на круговой орбите. Единственное, чего не хватало Ньютону – правила, позволяющего понять, насколько слабее земное притяжение в окрестностях Луны. Более того, поскольку Луна затрачивает один месяц на прохождение окружности, длину который вычислил Аристарх, Ньютон уже знал ее скорость: около 1 км/с, как у пули из автомата M16. И тут он сделал замечательное открытие: если предположить, что сила гравитации ослабевает обратно пропорционально квадрату расстояния от центра Земли, то скорость, которая позволяет Луне двигаться по круговой орбите, точно совпадает с ее измеренной скоростью! Ньютон открыл закон гравитации и обнаружил, что он универсален, то есть применим не только здесь, на Земле, но и в небесах.

Рис. 3.1. Пушечное ядро (г), выпущенное со скоростью более 11,2 км/с, улетает от Земли и никогда не возвращается (если пренебречь сопротивлением воздуха). При чуть меньшей скорости (в) оно выходит на эллиптическую орбиту вокруг Земли. Если выстрелить горизонтально со скоростью 7,9 км/с (б), орбита ядра будет идеальной окружностью, а если стрелять с меньшей скоростью (а), оно в конце концов упадет на Землю.

Внезапно все элементы головоломки встали на свои места. Ньютон, применяя закон тяготения вкупе с математическими законами движения, которые он сформулировал ранее, смог объяснить движение не только Луны, но и планет вокруг Солнца. Он даже сумел математически доказать, что в общем случае орбиты являются эллипсами, а не окружностями. Кеплер считал это обстоятельство необъяснимым.

Как и большинство великих прорывов в физике, законы Ньютона дали ответ на гораздо большее число вопросов, чем те, которые привели к их открытию. Например, они объяснили приливы: гравитационное притяжение Луны и Солнца сильнее действует на морские воды, которые ближе к ним, заставляя воду плескаться по мере вращения Земли. Законы Ньютона также показывают, что общее количество энергии сохраняется, так что если где-нибудь появилась энергия, она не могла появиться из ниоткуда, а должна была поступить откуда-нибудь. Приливы растрачивают массу энергии (часть ее можно собрать с помощью приливных электростанций), но откуда берется вся эта энергия? Большей частью из вращения Земли, которое замедляется трением: если вы иногда чувствуете, что вам не хватает времени в сутках, просто подождите 200 млн лет, и тогда день удлинится до 25 часов!

Следовательно, трение воздействует даже на движение планет, и это отменяет идею вечности Солнечной системы. В прошлом Земля должна была вращаться быстрее, и можно рассчитать, что система Земля – Луна не старше 4–5 млрд лет: в противном случае Земля должна была бы в прошлом вращаться настолько быстро, что центробежные силы разорвали бы ее на части. Вот, наконец, и первый намек на происхождение Солнечной системы: у нас есть оценка времени совершения преступления!

Ньютоновский прорыв подтолкнул человеческий ум к покорению космоса: он показал, что мы можем сначала открывать физические законы, производя эксперименты здесь, на Земле, а затем экстраполировать эти законы для объяснения того, что происходит в небесах. Хотя Ньютон сначала применил этот подход только к движению и гравитации, идея распространялась со скоростью степного пожара, и со временем ее стали применять к свету, газам, жидкостям, твердым телам, электричеству и магнетизму. Люди экстраполировали свои открытия не только на макромир, на космос, но и на микромир, обнаруживая, что многие свойства газов и других веществ можно объяснить, применяя к атомам, из которых те состоят, ньютоновские законы движения. Научная революция началась. Она приблизила и Промышленную революцию, и информационную эру. Прогресс, в свою очередь, позволил построить мощные компьютеры, которые помогают науке развиваться, решая физические уравнения и находя ответы на многие интересные вопросы, прежде ставившие нас в тупик.

Законы физики можно применять по-разному. Часто мы хотим применять имеющиеся знания для предсказания будущего, как при прогнозировании погоды. Однако уравнения точно так же можно решать и в обратную сторону, применяя современные знания, чтобы пролить свет на прошлое, как при реконструкции затмения, которое Колумб наблюдал на Ямайке. Третий способ состоит в том, чтобы вообразить гипотетическую ситуацию и применить физические уравнения для расчета того, как она будет изменяться с течением времени, – так, например, при моделировании запуска ракеты к Марсу определяется, достигнет ли она намеченной цели. Этот третий подход дал новые ключи к загадке происхождения Солнечной системы.

Представьте себе огромное газовое облако в открытом космосе: что с ним произойдет с течением времени? Законы физики предсказывают схватку между двумя силами, которые определяют его судьбу: гравитация будет пытаться сжать его, а давление будет стремиться его рассеять. Если гравитация начинает брать верх, сжимая облако, то оно будет нагреваться (мой велосипедный насос по той же причине при использовании нагревается), что, в свою очередь, повысит давление, препятствующее дальнейшему нарастанию гравитации. Облако может долгое время оставаться стабильным – когда гравитация и давление уравновешивают друг друга, – но это непростое перемирие в конце концов нарушается. Нагретое газовое облако светится, излучая часть тепловой энергии, поддерживающей в нем давление. Это позволяет гравитации сжать облако сильнее – и т. д. Запрограммировав в компьютерах законы гравитации и физики газов, можно во всех деталях смоделировать эту гипотетическую битву. В конце концов центральная часть облака станет настолько горячей и плотной, что превратится в термоядерный реактор: атомы водорода будут сливаться в атомы гелия, поскольку мощная гравитация не позволит им разлететься. Так рождается звезда. Внешние части образующейся звезды уже достаточно горячи, чтобы ярко светиться, и их излучение начинает выдувать прочь остатки газового облака, делая новорожденную звезду видимой для наших телескопов.

Перемотка. Повторное воспроизведение. В процессе постепенного сжатия газового облака любое, даже самое слабое его вращение ускоряется, как это происходит с фигуристкой, которая начинает крутиться быстрее, когда прижимает руки к телу. Центробежные силы, вызванные ускоряющимся вращением, мешают гравитации сжать газовое облако в точку. Вместо этого она придает ему форму, напоминающую пиццу – так пекарь по соседству с моей начальной школой раскручивал тесто для пиццы, чтобы придать ему форму диска. Основные ингредиенты всех космических «пицц» – водород и гелий, но если среди них также находится место более тяжелым атомам вроде углерода, кислорода и кремния, то пока в центре газовой «пиццы» формируется звезда, ее внешние части могут скомкаться в несколько холодных объектов – планет. Они станут видны, как только новорожденная звезда сдует остатки «теста». Поскольку все вращение (угловой момент) связано с вращением исходного облака, все планеты Солнечной системы обращаются вокруг Солнца в одном направлении (против часовой стрелки, если смотреть со стороны Северного полюса), и в том же направлении примерно за месяц поворачивается вокруг своей оси само Солнце.

Это объяснение происхождения Солнечной системы поддерживается сегодня не только теоретическими расчетами, но и телескопическими наблюдениями множества других планетных систем, «пойманных с поличным» на различных стадиях процесса рождения. Наша Галактика содержит огромное число гигантских молекулярных облаков – газовых облаков, содержащих молекулы, помогающих им рассеивать тепло, охлаждаться и сжиматься. В некоторых случаях мы наблюдаем совсем юные звезды, окруженные пиццеобразными газовыми протопланетными дисками, еще почти нетронутыми. Недавнее открытие множества планетных систем вокруг других звезд принесло астрономам массу новых данных, позволяющих улучшить понимание происхождения Солнечной системы.

Если именно такой процесс сопровождал рождение Солнечной системы, то когда именно он имел место? Еще в начале прошлого столетия было широко распространено мнение, что Солнце образовалась всего 20 млн лет назад, поскольку за большее время потеря энергии в форме излучения привела бы к гравитационному сжатию Солнца до гораздо меньших размеров, чем мы наблюдаем. Аналогично было подсчитано, что если подождать значительно дольше, рассеялась бы и большая часть внутреннего тепла Земли, ответственного за вулканические извержения и геотермальные источники.

Источник солнечного тепла оставался загадкой до 30-х годов, когда ученые открыли термоядерные реакции. Но еще прежде того, благодаря открытию в 1896 году радиоактивности, были опровергнуты бытовавшие представления о возрасте Земли. Появился замечательный новый метод его уточнения. Атомы самого распространенного изотопа урана спонтанно распадаются на торий и другие, более легкие, элементы, с такой скоростью, что половина их разрушается за 4,47 млрд лет. Радиоактивный распад уже миллиарды лет производит достаточно тепла для поддержания земного ядра в разогретом состоянии, и это объясняет, каким образом наша планета остается теплой, несмотря на то, что она гораздо старше 20 млн лет. Мало того, измеряя долю распавшихся атомов урана в горных породах, можно определить возраст этих пород. Так было показано, что некоторые образцы, найденные на хребте Джек-Хиллс в Западной Австралии, имеют возраст более 4,404 млрд лет. Рекордный для метеоритов возраст составляет 4,56 млрд лет. Это подтверждает, что и наша планета, и остальная Солнечная система образовались около 4,5 млрд лет назад – в полном согласии с более грубыми оценками, основанными на приливном торможении.

Таким образом, применение законов физики дало людям качественный и количественный ответ на один из главных вопросов наших предков: как и когда возникла Солнечная система?

Как появились галактики?

Итак, мы отодвинули границу нашего знания на 4,5 млрд лет в прошлое. Тогда Солнечная система образовалась в результате гравитационного коллапса гигантского молекулярного облака. Но одноклассник моего сына Филиппа спрашивал: откуда взялось это гигантское молекулярное облако?

Образование Галактики

Вооруженные телескопами, карандашами и компьютерами астрономы нашли убедительный ответ и на эту загадку, хотя ряд важных пробелов еще предстоит восполнить. По сути, схватка гравитации и давления, в ходе которой сформировалась пиццеобразная Солнечная система, повторяется в гораздо большем масштабе: сжимается куда более крупная заполненная газом область совокупной массой в миллионы или даже триллионы масс Солнца. Такой коллапс не приводит к образованию увеличенной версии Солнечной системы с мегазвездой, окруженной мегапланетами. Вместо этого происходит фрагментация на огромное число газовых облаков меньшего размера, из которых образуются отдельные планетные системы: так рождается галактика. Солнечная система – одна из сотен миллиардов в одной из этих пиццеобразных галактик, которая называется Млечным Путем. Мы находимся примерно на полпути от его центра (рис. 2.2), вокруг которого совершаем оборот за пару сотен миллионов лет.

Иногда галактики сталкиваются друг с другом. Эти космические дорожно-транспортные происшествия не так страшны, как может показаться, поскольку звезды, как правило, проходят друг мимо друга. В итоге галактики сливаются, а большинство их звезд объединяется в новую, более крупную галактику. Как Млечный Путь, так и наша ближайшая крупная соседка, Туманность Андромеды, – пиццеобразные галактики, которые называют спиральными из-за восхитительных рукавов (рис. 2.2). Когда сталкиваются две спиральные галактики, результат сначала кажется беспорядочным, а затем формируется округлая капля из звезд, называемая эллиптической галактикой. Такая судьба ждет и нас, поскольку через несколько миллиардов лет нам предстоит столкновение с Туманностью Андромеды. Неизвестно, будут ли наши потомки называть свой дом Млечномедой, но мы твердо знаем, что это будет эллиптическая галактика: телескопы позволили увидеть множество подобных столкновений на разных стадиях, и результаты этих наблюдений вполне согласуются с теоретическими предсказаниями.

Если галактики образовались за счет слияния более мелких галактик, насколько малы были те, первоначальные? Эти поиски были темой первого исследовательского проекта, который меня по-настоящему озадачил. Ключевой частью моих вычислений было определение того, как химические реакции в газе порождают молекулы, способные приводить к снижению давления за счет излучения тепловой энергии. Но каждый раз, когда мне казалось, что вычисления окончены, я обнаруживал, что применяемые мной формулы молекул содержат серьезную ошибку, делающую все расчеты неверными и заставляющие начать все сначала. Через четыре года после того, как научный руководитель Джо Силк впервые предложил мне этим заняться, я был настолько раздосадован, что подумывал заказать футболку с надписью «Я ненавижу молекулы» и изображением молекулы водорода, моего главного врага, перечеркнутой толстой красной линией, как на знаке «Курение запрещено». Но затем удача мне улыбнулась: перебравшись в Мюнхен на позицию постдока, я встретил студента по имени Том Абель, который только что завершил поистине энциклопедические расчеты всех молекулярных формул, которые мне требовались. Он присоединился к нашей команде в качестве соавтора, и 24 часа спустя дело было сделано. Мы предсказывали, что масса самых первых галактик составляла «всего» около 1 млн масс Солнца. Нам повезло: этот результат в основном согласуется с гораздо более сложными компьютерными моделями, которыми профессор Том занимается сейчас в Стэнфорде.

Возможно, наша Вселенная расширяется

Самое грандиозное шоу на Земле, в рамках которого поколения живых организмов рождаются, взаимодействуют и умирают, началось около 4,5 млрд лет назад. Кроме того, мы открыли, что это часть еще более грандиозного спектакля, в котором поколения галактик рождаются, взаимодействуют и умирают в космической «экосистеме». Так вот, не может ли быть в этой постановке третьего уровня, на котором могут рождаться и умирать целые вселенные? В частности, нет ли признаков того, что наша Вселенная имела начало во времени? Если да, как и когда это произошло?

Почему галактики не падают? С ответа на этот вопрос начинается наш следующий рывок, отодвигающий предел знания еще дальше в прошлое. Мы видели, что Луна не падает на Землю, потому что обращается вокруг нее с высокой скоростью. Вселенная во всех направлениях населена галактиками, и очевидно, что для них это объяснение не подходит. Не все они обращаются вокруг нас. И если Вселенная вечна и в целом статична (то есть далекие галактики не движутся быстро), почему же они не упадут на нас, как случилось бы с Луной, если бы она вдруг остановилась?

Конечно, во времена Ньютона никто не знал о галактиках. Но если, подобно Джордано Бруно, представить себе бесконечную статическую Вселенную, однородно заполненную звездами, то должно иметься хотя бы примерное объяснение, позволяющее не волноваться, что они на нас упадут. Законы Ньютона утверждают, что к каждой звезде приложена большая (в действительности бесконечная) сила гравитации, действующая в равной мере во всех направлениях, и можно заключить, что эти противоположно направленные силы погасят друг друга, оставив все звезды в неподвижности.

В 1915 году это объяснение было опровергнуто новой теорией гравитации – общей теорией относительности[7]. Ее автор Альберт Эйнштейн понимал, что статическая бесконечная Вселенная, однородно заполненная материей, не укладывается в новые уравнения гравитации. И как же он поступил? Он, безусловно, усвоил главный урок Ньютона: надо смело экстраполировать свои уравнения и представить, какого рода Вселенная будет им удовлетворять, а затем выяснить, какие наблюдения позволяют проверить, действительно ли мы живем в такой Вселенной. По иронии судьбы, даже Эйнштейн, один из самых изобретательных ученых всех времен, чей принцип состоял в том, чтобы подвергать сомнению самые несомненные допущения и авторитеты, не решился усомниться в собственном авторитете и собственной уверенности в том, что мы живем в вечной, неизменной Вселенной. Вместо этого он совершил, как впоследствии сам признавался, свою величайшую ошибку: изменил уравнения, добавив дополнительный член, позволяющий Вселенной быть статической и вечной. Двойная ирония состоит в том, что сегодня этот дополнительный член, похоже, вновь появился в уравнениях в форме космической темной энергии, которую мы еще обсудим, но на этот раз он имеет иной смысл и не делает нашу Вселенную статической.

Человеком, которому, наконец, хватило смелости и способностей, чтобы довериться уравнениям Эйнштейна, оказался русский физик и математик Александр Фридман. Он решил их в самом общем случае для Вселенной, однородно заполненной материей, и обнаружил нечто шокирующее: большинство решений не было статическим, а изменялось во времени! Статическое решение Эйнштейна было не просто исключением из обычного поведения, но и являлось неустойчивым: почти статическая Вселенная не могла оставаться в таком состоянии длительное время. Если Ньютон показал, что естественное состояние Солнечной системы – пребывать в движении (Земля и Луна просто не могут вечно оставаться в неподвижности), то Фридман продемонстрировал, что естественное состояние нашей Вселенной – движение.

О каком именно движении шла речь? Фридман открыл, что самым естественным состоянием для Вселенной является расширение или сжатие. Если она расширяется, то все объекты внутри нее отдаляются друг от друга, как шоколадные крошки на поднимающемся кексе (рис. 3.2). В этом случае в прошлом все они должны были располагаться ближе друг к другу. На самом деле в простейшем фридмановском решении для расширяющейся Вселенной в прошлом есть определенный момент, когда все, что мы наблюдаем сегодня, находилось в одном и том же месте, создавая там бесконечную плотность. Иными словами, у нашей Вселенной есть начало, и ее рождение представляло собой взрыв чего-то бесконечно плотного. Большой взрыв.

Рис. 3.2. Далекие галактики удаляются друг от друга, как шоколадные крошки на поднимающемся кексе (слева): с точки зрения любой из них, все остальные удаляются со скоростью, пропорциональной расстоянию до них. Но если считать, что пространство растягивается, как поверхность кекса, то не галактики движутся относительно пространства, а само пространство меняется так, что все расстояния равномерно увеличиваются (справа), как если бы мы переобозначили отметки на всех линейках, сделав из миллиметров сантиметры.

Реакцией на фридмановский Большой взрыв была оглушительная тишина. Хотя его статья была опубликована в одном из наиболее престижных физических журналов Германии и обсуждалась Эйнштейном и иными учеными, в итоге она была, по большому счету, проигнорирована и не оказала практически никакого влияния на господствующую картину мира того времени. Игнорирование великих озарений – давняя традиция в космологии (на самом деле, науки в целом): мы уже обсуждали гелиоцентризм Аристарха и далекие солнечные системы Бруно, а дальше в этой и в следующих главах мы встретим еще много таких примеров. В случае Фридмана, я думаю, причина отчасти была в том, что он опередил свое время. В 1922 году известная Вселенная, по сути, ограничивалась галактикой Млечный Путь (на самом деле, лишь небольшой ее частью, которую люди могли наблюдать), а она не расширяется, поскольку сотни миллиардов ее звезд удерживаются на орбитах гравитационным притяжением. Это ответ на девятый вопрос из списка в предыдущей главе: расширяется ли Млечный Путь? Фридмановское расширение относится лишь к таким большим масштабам, в которых можно игнорировать скучивание материи в галактики, а галактик – в скопления. На рис. 2.2 видно, что на больших расстояниях – около 100 млн световых лет – распределение галактик становится довольно однородным, что позволяет применять фридмановские решения для однородной Вселенной, а значит, галактики, разделенные таким большим расстоянием, должны удаляться друг от друга. Но сам факт существования других галактик был установлен Хабблом только в 1925 году, тремя годами позднее! Тут бы и настал звездный час Фридмана. К сожалению, его дни были сочтены: в тот самый год он умер от брюшного тифа в возрасте всего 37 лет.

Для меня Фридман – один из величайших, но, увы, недооцененных героев космологии. Пока я писал этот отрывок, я перечитал первоисточник, статью Фридмана 1922 года, которая заканчивается интригующим примером огромной, в 5 миллиардов триллионов масс Солнца, вселенной, для которой он рассчитал время жизни: около 10 млрд лет – того же порядка, что и общепризнанный сегодня возраст Вселенной. Фридман не объясняет, откуда он взял это значение задолго до открытия галактик, но это, безусловно, достойное окончание выдающейся статьи выдающегося человека.

Вселенная расширяется

Через пять лет история повторилась: аспирант Массачусетского технологического института, бельгийский священник и астрофизик Жорж Леметр вновь опубликовал независимо переоткрытое им фридмановское решение для Большого взрыва. И вновь научное сообщество фактически проигнорировало его.

В конце концов идея Большого взрыва была воспринята не из-за новой теоретической работы, а из-за новых измерений. Когда Эдвин Хаббл убедился в существовании других галактик, следующим естественным его шагом стало изучение их распределения в пространстве и движения. Как правило, довольно легко измерить скорость, с которой объект приближается к вам или удаляется, поскольку это движение вызывает сдвиг линий в спектре. Красный свет имеет наименьшую частоту среди всех цветов радуги, и если галактика удаляется от нас, все ее спектральные линии будут испытывать красное смещение, то есть сдвигаться ближе к красному концу спектра, и чем выше ее скорость, тем сильнее будет это смещение. Если же галактика приближается, то ее цвета, напротив, будут испытывать голубое смещение к более высоким частотам.

Если бы галактики просто беспорядочно двигались в пространстве, то примерно половина из них имела бы красное смещение, а остальные – голубое. К удивлению Хаббла, почти все изученные им галактики имели красное смещение. Почему они разбегаются от нас? Они нас не любят? Мы что-то не то сказали? Вдобавок Хаббл открыл, что чем больше расстояние d, тем выше скорость v, с которой галактика удаляется от нас. Это выражается формулой v = Hd, которую сейчас называют законом Хаббла. Здесь H – постоянная Хаббла, которую сам Хаббл в эпохальной статье 1929 года скромно обозначил буквой K. Интересно, что Жорж Леметр в своей незамеченной статье 1927 года показал, как из решения, описывающего расширяющуюся Вселенную, вытекает закон Хаббла: если все в мире расширяется, удаляясь от всего прочего, то и далекие галактики разбегаются от нас согласно именно такому закону.

Если галактика радиально удаляется, значит, раньше она находилась очень близко. Давно ли это было? Глядя на автомобиль, удирающий после ограбления банка, можно, разделив пройденное расстояние на скорость, оценить, как давно он отъехал от банка. Если сделать это для удаляющихся галактик, закон Хаббла дает одинаковый ответ – d/v = 1/H – для всех них. Современные измерения дают оценку этой величины 1/H ≈ 14 млрд лет, то есть открытие Хаббла свидетельствует, что около 14 млрд лет назад имело место нечто весьма впечатляющее – огромное количество материи было сжато до очень высокой плотности. Чтобы получить более точный ответ, нужно принять во внимание ускорение (замедление, равномерное движение) автомобиля (Вселенной) с момента оставления места преступления. Мы, делая сейчас расчеты с применением уравнения Фридмана и данных современных измерений, обнаруживаем, что требуется очень незначительная, на несколько процентов, корректировка: после Большого взрыва наша Вселенная примерно половину времени замедлялась, а остальное время ускорялась, так что соответствующие поправки примерно компенсируют друг друга.

Что означает расширение Вселенной?

После того как были опубликованы измерения Хаббла, они убедили даже Эйнштейна: наша Вселенная официально стала расширяющейся. Но что означает расширение Вселенной? Здесь мы подходим еще к четырем вопросам, сформулированным в начале гл. 2.

Вопрос первый: действительно ли галактики удаляются от нас – или это пространство расширяется? Весьма удобно, что теория гравитации (общая теория относительности) Эйнштейна считает эти две точки зрения эквивалентными и в равной мере правильными (рис. 3.2), так что думайте об этом так, как вам кажется более естественным[8].

Согласно первой точке зрения, пространство не меняется, а галактики движутся сквозь него, как шоколадные крошки на поднимающейся сдобной булке под действием добавленного в тесто разрыхлителя. Все галактики (шоколадные крошки) удаляются друг от друга, и чем больше расстояние между ними – тем быстрее. В частности, если вы встанете на конкретную крошку (галактику), вы увидите, что движение всех остальных относительно нее подчиняется закону Хаббла: все они удаляются от вас радиально, и с увеличением расстояния вдвое их скорость также удваивается. Примечательно, что все выглядит совершенно одинаково независимо от того, с какой шоколадной крошки (галактики) вести наблюдение, так как если у распределения галактик нет границы, то расширение не имеет центра – оно кажется одинаковым отовсюду.

Согласно второй точке зрения, пространство подобно тесту сдобной булки: оно расширяется так, что шоколадные крошки относительно теста неподвижны, а галактики не двигаются сквозь пространство. То есть можно считать галактики покоящимися в пространстве (рис. 3.2, справа), при этом все расстояния между ними изменяются. Это все равно, что поменять отметки на воображаемых линейках, соединяющих галактики, сделав их из миллиметровых сантиметровыми, отчего все межгалактические расстояния станут в 10 раз больше прежних.

Это дает ответ еще на один вопрос: не нарушают ли галактики, удаляющиеся быстрее света, теорию относительности? Закон Хаббла v = Hd говорит, что галактики будут удаляться от нас быстрее скорости света c, если расстояние до них больше c/H ≈ 14 млрд световых лет, и у нас нет оснований сомневаться, что такие галактики существуют. Не противоречит ли это утверждению Эйнштейна о том, что никакой объект не может двигаться быстрее света? Ответ – и да, и нет. Это нарушает специальную теорию относительности 1905 года, но не противоречит общей теории относительности 1915 года, которая стала последним словом Эйнштейна по данному вопросу. Следовательно, все в порядке. Общая теория относительности ослабила световой барьер: если специальная теория относительности утверждает, что никакие два объекта не могут двигаться быстрее света друг относительно друга ни при каких обстоятельствах, то общая говорит, что они не могут двигаться быстрее света друг относительно друга, когда они находятся в одном и том же месте. Однако галактики, удаляющиеся со сверхсветовой скоростью, находятся очень далеко от нас. Если настаивать на том, что пространство расширяется, можно перефразировать это соображение: ничему не позволено двигаться быстрее света сквозь пространство, но само пространство может растягиваться с какой ему угодно скоростью.

Кстати, о далеких галактиках. Я видел газетные статьи, где говорилось о галактиках, отстоящих от нас на 30 млрд световых лет. Если возраст нашей Вселенной всего 14 млрд лет, то как мы видим объекты в 30 млрд световых лет? Каким образом их свету хватило времени, чтобы добраться до нас? Более того, они удаляются от нас быстрее света, что делает абсурдным сам разговор о возможности их увидеть. Ответ в данном случае состоит в том, что мы видим эти далекие галактики не там, где они находятся теперь, а там, где они были, когда испускали свет, который сейчас доходит до нас. Точно так же, как Солнце мы видим таким, каким оно было 8 минут назад, и в том месте, где оно было 8 минут назад, далекие галактики мы можем видеть такими, какими они были 13 млрд лет назад, и в тех местах, где они были тогда, – примерно в 8 раз ближе к Земле, сравнительно с их нынешним положением. Так что свету из таких галактик достаточно пройти сквозь пространство всего 13 млрд световых лет, а разница добирается за счет растяжения пространства. Это похоже на то, как по бегущей дорожке в аэропорту можно пройти 20 метров, сделав всего 10 шагов.

Как расширяется Вселенная?

Не случится ли там, вдали, куда направлено разбегание галактик, какого-нибудь космического ДТП, когда они врежутся в то, что находится там, куда они расширяются? Если наша Вселенная расширяется согласно уравнениям Фридмана, такой проблемы не существует: как показано на рис. 3.2, расширение выглядит одинаково повсюду в космосе, так что подобных проблемных мест быть не может. Если принять ту точку зрения, что далекие галактики удаляются сквозь статическое пространство, причина, по которой они никогда не сталкиваются с более далекими галактиками, состоит в том, что те удаляются еще быстрее: вам не удастся врезаться сзади в разгоняющийся «Порше», если сами вы сидите за рулем ископаемого «Форда-Т». Если же считать, что пространство расширяется, то объяснение состоит просто в том, что его объем не сохраняется. Новости с Ближнего Востока приучили нас к той мысли, что нельзя получить больше места иным путем, кроме как отобрав его у кого-нибудь. Однако общая теория относительности утверждает прямо противоположное: дополнительный объем может быть создан в определенной области между некоторыми галактиками без того, чтобы он расширялся в другие области. Этот объем просто остается между галактиками (рис. 3.2, справа).

Космическая классная комната

Как бы безумно это ни звучало, представление о расширении Вселенной логически последовательно и поддерживается астрономическими наблюдениями. Со времени Эдвина Хаббла подтверждающих эту теорию наблюдений стало гораздо больше благодаря современным технологиям и новым открытиям. Самый фундаментальный вывод состоит в том, что изменениям подвержена вся Вселенная: отодвинув рубеж наших знаний на миллиарды лет, мы обнаружили Вселенную, которая еще не настолько сильно расширилась и поэтому была плотнее и гуще населена. Таким образом, мы обитаем не в скучном статическом пространстве, аксиоматизированном Евклидом, а в динамичном эволюционирующем пространстве, которое пережило своего рода детство и даже, возможно, рождение – около 14 млрд лет назад.

Радикально усовершенствованные телескопы усилили наше зрение настолько, что теперь мы можем непосредственно наблюдать за эволюцией пространства. Представьте, что вы выступаете с презентацией перед большой аудиторией. Внезапно вы замечаете нечто забавное. Ближайший к вам ряд кресел занят людьми примерно вашего возраста. Однако в десятом ряду вы видите лишь подростков. За ними – кучку маленьких детей, а ряд позади них занят младенцами. Вглядываясь во Вселенную, мы видим нечто подобное. Вблизи множество больших, зрелых галактик, похожих на нашу, а очень далеко мы видим в основном маленькие юные галактики, которые не кажутся вполне развитыми. А за ними и вовсе нет галактик, лишь темнота. Поскольку свету требуется больше времени, чтобы прийти издалека, заглядывание на большие расстояния равносильно наблюдению прошлого. Темнота позади галактик – это эпоха до образования всех галактик. В то время пространство было заполнено водородом и гелием в виде газа, тяготение которого еще не успело превратить его сгущения в галактики, а поскольку этот газ прозрачен, как гелий в воздушных шарах, он невидим в телескоп.

Но есть загадка: во время презентации вы неожиданно замечаете, что из-за последнего пустого ряда поступает энергия – задняя стена аудитории не вполне темная, а испускает слабое излучение в виде микроволн! Почему? Мы видим именно такое свечение, когда заглядываем очень далеко во Вселенной.

Откуда приходят микроволны?

Для меня главный урок Ньютона и Фридмана сводится к максиме: «Экстраполируйте смелее». Берите законы физики, как вы их понимаете, применяйте их к еще не исследованным ситуациям и смотрите, не предскажут ли они что-нибудь такое, что можно наблюдать. Ньютон взял законы движения, которые Галилей открыл для Земли, и экстраполировал их на Луну и другие небесные тела. Фридман взял законы движения и гравитации, которые Эйнштейн открыл, опираясь на данные о Солнечной системе, и экстраполировал их на всю Вселенную. Кажется, эта максима должна стать распространенным научным методом. В частности, можно было бы ожидать, что после 1929 года, когда фридмановская идея расширяющейся Вселенной получила признание, ученые по всему миру станут соревноваться друг с другом в систематическом изучении того, что случится, если экстраполировать ее в прошлое. Ну, если вы так подумали, то ошиблись… Как бы ученые ни настаивали, что они заняты рациональным поиском истины, они, как и все люди, имеют слабости: ученые испытывают предубеждения, зависят от чужого мнения и повинуются стадному инстинкту. Чтобы преодолевать эти недостатки, требуется нечто большее, чем просто талант к вычислениям.

Для меня следующим космологическим супергероем, который сделал необходимые выводы, был еще один русский ученый – Георгий Гамов. Научным руководителем его диссертации в Ленинграде был не кто иной, как Александр Фридман. Хотя Фридман умер на втором году совместной работы, Гамов унаследовал как идеи, так и интеллектуальную смелость Фридмана.

Космический плазменный экран

Раз Вселенная расширяется, значит, в прошлом она должна была иметь большую плотность. Но всегда ли она расширялась? Вероятно, нет: работа Фридмана допускает, что когда-то Вселенная могла сжиматься, и все вещество, двигавшееся к нам, постепенно замедлилось, остановилось и начало ускоряться – но уже направляясь от нас. Такой космический отскок мог случиться, только если плотность вещества была гораздо ниже известного теперь значения. Гамов решил систематически исследовать другую возможность, более общую и радикальную: расширение, имеющее начало. Как он объяснял в книге 1946 года, если уподобить космическую драму кинофильму и запустить его в обратную сторону, мы увидим, как плотность Вселенной беспредельно возрастает. Поскольку межгалактическое пространство заполнено водородом, по мере продвижения назад во времени этот газ будет становиться все плотнее, а значит, все горячее. Если нагревать ледяной куб, он расплавится. Если продолжать нагревать жидкую воду, она превратится в газ – пар. Аналогично, если продолжать нагревать газообразный водород, он перейдет в четвертое состояние – плазму. Почему? Дело в том, что атом водорода – это просто электрон, обращающийся вокруг протона, а газообразный водород – это просто скопление таких атомов, сталкивающихся друг с другом. Когда температура поднимается, атомы движутся быстрее и сталкиваются друг с другом сильнее. Если становится достаточно горячо, удары оказываются настолько разрушительными, что атомы распадаются на части, а электроны и протоны начинают двигаться независимо. Водородная плазма – это и есть «суп» из свободных электронов и протонов.

Рис. 3.3. Свету от далеких источников требуется время, чтобы достичь Земли, поэтому, заглядывая вдаль, мы смотрим и вглубь времен. За самыми далекими галактиками мы видим непрозрачную стену светящейся водородной плазмы, излучению которой потребовалось около 14 млрд лет, чтобы дойти до нас. В то время водород, который заполняет пространство сегодня, был разогрет настолько, что представлял собой плазму. Нашей Вселенной тогда было всего около 400 тыс. лет. (На основе рисунка группы NASA/WMAP.)

Иными словами, Гамов предсказал, что наша Вселенная началась с горячего Большого взрыва и что плазма некогда заполняла весь космос. Причем особенно интересно, что предсказание проверяемо: если холодный газообразный водород прозрачен и невидим, то горячая водородная плазма непрозрачна и ярко светится, подобно поверхности Солнца. Это означает, что когда мы заглядываем дальше в космос (рис. 3.3), мы видим сначала старые галактики, за ними молодые галактики, затем прозрачный газообразный водород, а затем стену сияющей водородной плазмы. Мы не сможем увидеть, что за этой стеной, поскольку она непрозрачна, а значит, скрывает все, что было до нее. Более того, как показано на рис. 3.4, мы должны видеть это во всех направлениях, поскольку, куда бы мы ни взглянули, мы смотрим назад во времени. Получается, мы должны увидеть окружающую нас гигантскую плазменную сферу.

В книге 1946 года Гамов, излагая теорию Большого взрыва, предсказал, что у нас должна иметься возможность наблюдать эту плазменную сферу. Он поручил своим ученикам Ральфу Альферу и Роберту Херману проработать этот вопрос, и несколько лет спустя они опубликовали статью, в которой предсказали, что эта сфера будет светиться с температурой около 5° выше абсолютного нуля, а значит, в основном будет испускать микроволны, а не видимый свет. К сожалению, Альферу и Херману не удалось убедить астрономов поискать фоновое космическое микроволновое излучение, и их работа была почти забыта, как и фридмановское открытие расширения Вселенной.

Рис. 3.4. Все выглядит так, как если бы мы находились в центре гигантской плазменной сферы. Мы видим плазменную стену с предыдущего рисунка во всех направлениях.

Как увидеть послесвечение

К 1964 году группа принстонских ученых поняла, что доступный для наблюдения микроволновый сигнал должен существовать, и планировала начать его поиски, но ее неожиданно опередили. В том году Арно Пензиас и Роберт Вильсон испытывали в «Белл лабораториз» в штате Нью-Джерси самый совершенный в то время микроволновый телескоп. Они обнаружили нечто загадочное: телескоп регистрировал сигнал, который они не могли объяснить, причем сигнал не менялся, куда бы ни направляли аппарат. Странно! Ученые предполагали регистрировать сигналы только при наведении на конкретные объекты на небе, например на Солнце или на спутник с микроволновым передатчиком. Но вместо этого складывалось впечатление, что все небо светится с температурой 3° по абсолютной шкале – очень близкой к 5°, предсказанным Гамовым и его коллегами. Радиоастрономы стали проверять локальные источники шума – на время подозрения пали на голубей, которые гнездились в телескопе и оставляли там помет. Как-то раз я обедал с Арно. Он рассказал, что голубей посадили в деревянный ящик с пищей и послали в отдаленный кампус «Белл лабораториз», чтобы птиц выпустили там. К сожалению, голуби вернулись. В книге Арно уклончиво сказано, что физики все-таки «избавились» от голубей. Я, напоив его вином, выяснил правду: это было сделано с применением огнестрельного оружия… Голубей устранили, но загадочный сигнал остался: Пензиас и Вильсон открыли космический микроволновый фон, слабое послесвечение нашего Большого взрыва[9].

Это открытие стало сенсацией и было отмечено Нобелевской премией по физике 1978 года. Из вычислений Гамова и его учеников следовало, что плазменная сфера на рис. 3.4 должна быть примерно вдвое холоднее солнечной поверхности, а ее горячее излучение шло через космос 14 млрд лет, прежде чем достигло нас, и по пути оно остыло в тысячу раз – до наблюдаемых 3° выше абсолютного нуля, – потому что пространство тысячекратно расширилось. Иными словами, вся Вселенная была когда-то горячей, как звезда, а дикая тысячекратная экстраполяция, примененная Гамовым в его теории Большого взрыва, была проверена и подтверждена.

«Детские фото» Вселенной

Когда плазменная сфера была обнаружена, началась гонка: кто первый сделает ее фотографии? Поскольку температура излучения была почти одинаковой во всех направлениях, изображения Пензиаса и Уилсона выглядели как на белых шуточных открытках с подписью «Сан-Франциско в тумане». Чтобы получить интересные фотографии, которые можно было бы считать первыми «детскими снимками» Вселенной, нужно было увеличить контрастность, регистрируя малейшие изменения от места к месту. Такие вариации должны существовать: если бы в прошлом условия везде были идентичными, то по законам физики они бы оставались идентичными и сейчас, а это прямо противоречит картине, которую мы наблюдаем (галактики в одних местах и пустота в других).

Однако сделать «детские фотографии» оказалось настолько трудно, что для этого понадобилось почти 30 лет. Для подавления измерительных шумов Пензиас и Уилсон воспользовались жидким гелием, охлаждавшим детектор до температуры, близкой к температуре космического микроволнового фона. Но флуктуации температуры от места к месту на небе, как оказалось, должны составлять тысячные доли процента, так что для получения «детских фотографий» требовалась в 100 тыс. раз более высокая чувствительность, чем была доступна Пензиасу и Уилсону. Экспериментаторы по всему миру принимали этот вызов – и терпели поражение. Одни говорили, что это безнадежно, другие отказывались сдаваться. Первого мая 1992 года, когда я был аспирантом, по молодому еще интернету разнесся слух: Джордж Смут собирается объявить о результатах самого амбициозного эксперимента того времени по изучению микроволнового фона, который выполнялся спутником НАСА под названием COBE (Cosmic Background Explorer). Моего научного руководителя Джо Силка пригласили представить доклад Джорджа, и прежде чем он улетел в Вашингтон, я спросил, что он думает об этом открытии. Джон предположил, что они не увидели космические флуктуации, а просто зарегистрировали радиошум нашей Галактики.

Но, вопреки ожиданиям, Смут взорвал бомбу, которая изменила не только мою карьеру, но и космологию как науку. Он со своей командой действительно обнаружил флуктуации! Стивен Хокинг назвал это «самым важным открытием в космологии за целое столетие, если не вообще», поскольку «детские фотографии» 400-тысячелетней Вселенной несут важнейшую информацию о нашем космическом происхождении.

«Золотая лихорадка»

Теперь, когда COBE нашел золото, началась лихорадка. Как видно на рис. 3.5, карта неба, составленная COBE, размытая. Низкое разрешение изображений не позволило показать детали размером менее 7°. Естественно, следующим шагом стало детальное наблюдение небольшого участка неба с высоким разрешением и низким уровнем шума. На таких картах высокого разрешения закодирован ответ на некоторые ключевые космологические вопросы. Я люблю фотографировать (в возрасте 12 лет мне удалось, разнося по Стокгольму рекламки, накопить денег на первую камеру), так что задача фотографирования Вселенной меня сразу увлекла. Кроме того, мне нравилось возиться со снимками и компьютерной графикой, будь то иллюстрации для школьной стенгазеты «Кураре» или изображения для условно-бесплатной компьютерной игры FRAC (трехмерный клон «Тетриса»), доход от которой позволил мне объехать мир в 1991 году. Так что я бывал счастлив, когда экспериментаторы позволяли мне вместе с ними превращать данные в карты неба.

Моей первой удачей стала встреча с молодым принстонским профессором Лайманом Пейджем. Мне понравилась его веселая мальчишеская улыбка, и после его доклада на конференции я набрался смелости предложить ему сотрудничество. Пейдж понравился мне еще больше, когда я узнал, что до аспирантуры он годами бороздил Атлантику под парусом. В итоге профессор доверил мне данные, полученные с помощью микроволнового телескопа в канадском городе Саскатун, которым он со своей группой три года сканировал участок неба непосредственно возле Северного полюса.

Рис. 3.5. Когда демонстрируется карта неба целиком, удобно проецировать ее на плоскую поверхность так же, как это делается с картой Земли (вверху): просто интерпретируется она как взгляд вверх, а не вниз, в землю. “Детское фото” нашей Вселенной, полученное COBE (внизу слева) было нечетким. Это обусловило повторение экспериментов по рассматриванию участков неба с более высоким разрешением (посередине слева). Позднее спутники WMAP и “Планк” построили карты всего неба с высоким разрешением (справа) – 3 мегапиксела и 50 мегапикселов соответственно. Эти небесные карты повернуты относительно карты Земли так, что центральная горизонтальная линия соответствует не плоскости земного экватора, а плоскости Галактики (серая полоса слева внизу); Северный полюс Земли указывает на центр саскатунской карты. (Карта Земли: Патрик Дайнин.)

Преобразование данных в карту оказалось делом удивительно сложным: они представляли собой не фотографии неба, а длинные таблицы чисел, указывающих, сколько вольт получено при сложении и вычитании сигналов от различных участков неба всевозможными способами. Правда, это занятие оказалось на редкость увлекательным и потребовало от меня максимального напряжения и всех моих знаний в области теории информации и вычислительных методов. Я провел много вечеров в своем мюнхенском кабинете постдока, пока не довел до ума саскатунскую карту (рис. 3.5), подгадав как раз к большой космологической конференции во Французских Альпах. Я прочитал уже сотни докладов, но лишь некоторые отпечатались в памяти как волшебные моменты. Это как раз один из тех случаев. Когда я поднялся на подиум и оглядел аудиторию, сердце мое забилось: она была заполнена людьми, многих из которых я знал по работам, но большинство понятия не имело, кто я такой. Они ехали в Альпы скорее затем, чтобы покататься на лыжах, а не выслушивать новичков вроде меня. Однако явившихся очень волновало все, что касалось изучения космического микроволнового фона, и я чувствовал гордость. Из сегодняшнего дня 1996 год видится как докембрий: мы делали доклады, пользуясь пачками целлулоидных «прозрачек». В моей колоде был туз – слайд с изображением саскатунской карты (рис. 3.5) в виде увеличенного фрагмента карты COBE. Я почувствовал возбуждение аудитории. Во время перерыва после доклада люди толпились у проектора, задавая вопросы и требуя снова и снова показывать тот слайд. Дик Бонд, один из авторов космологии микроволнового фона, сказал мне с улыбкой: «Поверить не могу, что Лайман поделился с вами данными!»

Я чувствовал, что космология вступила в золотой век и движется по замечательной спирали: открытия притягивают людей и гранты, а это, в свою очередь, ведет к новым открытиям. Уже в следующем месяце, в апреле 1996 года, было одобрено финансирование двух новых спутников с кардинально улучшенными по сравнению с COBE разрешением и чувствительностью. Одним из них стал проект WMAP, открытый НАСА по инициативе Лаймана Пейджа и его близких коллег, а вторым – европейский проект «Планк» (в ходе подготовки грантовой заявки я имел удовольствие делать для него вычисления и прогнозы). Поскольку космические экспедиции требуют многолетнего планирования, группы по всему миру включились в гонку, стремясь опередить WMAP и «Планк» или, по крайней мере, получить до их запуска какие-нибудь легкодоступные результаты. Вот почему саскатунский проект оказался первым из многих, с которыми я имел удовольствие сотрудничать в деле анализа данных. Я работал с экспериментаторами из проектов HACME, QMAP, Tenerife, POLAR, PIQ и Boomerang, получая из их данных «детские фото» Вселенной. В основном я стремился стать посредником между теорией и экспериментом. Я чувствовал, что космология превращается из бедной данными дисциплины в область, где данных больше, чем люди могут обработать, и решил создать инструменты, позволяющие извлекать все возможное из этой лавины данных. В частности, я опирался на теорию информации, чтобы выяснить, сколько полезных данных о Вселенной содержится в заданном наборе данных. Обычно в мегабайтах, гигабайтах или терабайтах измерений имеется небольшое число битов космологической информации, сложным образом зашифрованных и скрытых в огромном количестве шума от электроники детектора, атмосферных помех, галактического излучения и т. д. Хотя существовал идеальный математический способ извлечения этой иголки из стога сена, на практике он обычно оказывался слишком трудоемким и требовал миллионов лет компьютерных вычислений. Я публиковал различные методы анализа данных, которые не всегда были идеальными, но позволяли извлекать почти всю информацию достаточно быстро с точки зрения наших практических задач.

Я по многим причинам люблю космический микроволновый фон. Например, я благодарен ему за первый брак, за сыновей Филиппа и Александра. Я встретил Анжелику де Оливейра Косту, свою (теперь уже бывшую) жену, когда она приехала из Бразилии в Беркли в качестве аспирантки Джорджа Смута. Нам довелось тесно сотрудничать не только в деле перемены подгузников, но и во многих из упомянутых проектов по анализу данных. Одним них был QMAP, телескоп, запущенный на высотном аэростате Лайманом Пейджем, Марком Девлином и их коллегами, чтобы избавиться от большей доли микроволнового шума, вызываемого атмосферой.

Первое мая 1998 года, уже около двух часов ночи, а дела обстоят весьма скверно. До вылета на космологическую конференцию в Чикаго, где я должен рассказать о новых результатах QMAP, осталось всего семь часов, но мы с Анжеликой, погруженные в сомнения, еще сидим в кабинете в Принстонском институте перспективных исследований. До сих пор от экспериментов в области космического микроволнового фона требовалась полная уверенность в том, что не сделано ошибок и не упущено ничего важного. Ключом к достоверности в науке служит получение независимых экспериментальных подтверждений ваших результатов. Но, поскольку люди смотрели в разных направлениях и пользовались инструментами с разным разрешением, прежде нельзя было сравнить изображения неба, полученные в двух разных экспериментах, и проверить, согласуются ли они. Вплоть до этого момента карты, построенные телескопами в Саскатуне и QMAP, имели значительное перекрытие на небе вдоль полосы бананообразной формы (рис. 3.5). Мы с Анжеликой в смятении смотрели на дисплей: карты Саскатуна и QMAP совершенно не согласовывались! Щурясь так и сяк, мы пытались убедить себя, что это несоответствие – лишь инструментальный шум. Но выдавать желаемое за действительное можно лишь до определенного предела. Столько сделано – и тут выясняется, что по крайней мере одна из этих карт полностью ошибочна. И как делать об этом доклад?! Это обернулось бы позором не только для нас, но и для всех, кто участвовал в экспериментах.

Неожиданно Анжелика обнаруживает подозрительный знак «минус», наличие которого в программе, грубо говоря, приводит к тому, что карта QMAP отображается вверх ногами. Мы исправляем его, перезапускаем программу и недоверчиво поглядываем друг на друга, пока на экран выводится новая карта. Теперь согласие между двумя картами просто потрясающее! Поспав несколько часов, мы летим в Чикаго. Я на ходу готовлю доклад, несусь от арендованного автомобиля к аудитории Фермилаба[10] и едва успеваю к началу своего выступления. Я настолько возбужден, что до самого вечера не осознаю своей новой ошибки: автомобиль исчез.

– Где вы его поставили? – спрашивает охранник.

– Да вот тут, прямо напротив гидранта, – отвечаю я, и тут до меня доходит – ну надо же! – второй раз за день…

Космический мяч для пляжного волейбола

«Золотая лихорадка» – добыча данных из микроволнового фона – продолжалась много лет. Было поставлено более 20 различных экспериментов, и каждый из них ее подхлестывал (о некоторых я расскажу). А затем пришел черед WMAP. В два часа дня 11 марта 2003 года аудитория была переполнена: мы не отрывались от экрана, где участники WMAP в прямом эфире телевидения НАСА рассказывали о своих результатах. Если наземные и аэростатные эксперименты могли нанести на карту лишь часть неба, то спутник WMAP картографировал всю небесную сферу, как ранее COBE, но с радикально выросшими чувствительностью и разрешением. Я чувствовал себя как в детстве, на новогодней елке, когда наконец приехал Санта-Клаус, – только этого момента я с нетерпением ждал не месяцы, а годы. Ожидание того стоило: полученные изображения ошеломляли. При этом самоотверженные ученые прошли путь от выделения финансирования до получения результатов менее чем за 6 лет – втрое быстрее, чем COBE. Руководитель проекта WMAP Чак Беннет чуть не умер, выдерживая график. Другой ключевой участник проекта Дэвид Спергел рассказал мне, что у Чака случился инфаркт и он провел три недели в больнице.

Наконец, они открыто разместили все данные в интернете, и космологи всего мира смогли попробовать самостоятельно проанализировать их. Теперь пришло время вкалывать мне. Измерения WMAP были безупречны, но загрязнены радиошумом нашей Галактики: на карте COBE (рис. 3.5) он выглядит как горизонтальная полоса. Неприятность в том, что такое микроволновое загрязнение от нашей и других галактик охватывает все небо, даже если где-то его уровень слишком низок, чтобы быть заметным. Однако это загрязнение имеет цвет, отличный от цвета сигнала (его интенсивность по-другому зависит от частоты), а WMAP получил изображение неба на пяти частотах. Группа WMAP использовала эту дополнительную информацию для очистки, но я раздумывал над куда лучшим методом, основанном на теории информации, который дал бы более чистую карту с более высоким разрешением (рис. 3.5, внизу справа). Спустя месяц работы вместе с Анжеликой и моим старым другом Эндрю Гамильтоном мы отправили статью в журнал, и жизнь стала возвращаться в нормальное русло. Я развлекался, изготавливая карту микроволнового фона в виде мяча (рис. 3.4). Карта так понравилось команде WMAP, что они сделали собственную версию и напечатали ее на мяче для пляжного волейбола, который теперь украшает мой кабинет. Я зову его «своей Вселенной», поскольку это каноническое изображение границы, охватывающей все, что мы в принципе можем наблюдать.

«Ось зла»

Важнейшие космологические данные зашифрованы в размерах пятен, заметных на космическом микроволновом фоне (ниже я объясню подробнее). Кроме того, мы можем представить двумерную карту микроволнового фона как сумму множества мультиполей (рис. 3.6). (Аналогично можно раскладывать звуки и цвета на частоты.) Карты-мультиполи, по сути, отражают вклад пятен разного размера, и еще со времен COBE складывалось впечатление, что со вторым мультиполем, называемым квадруполем, творится нечто странное: самые крупные пятна на карте были видны хуже, чем ожидалось. Однако никому не удавалось получить карту этого квадруполя и посмотреть, что с ним происходит: для этого требовалась карта всего неба, а микроволны от нашей Галактики загрязняли части неба так, что восстановить изображение было невозможно.

Так было прежде, но наша карта казалась настолько чистой, что, возможно, могла использоваться для всего неба. Как-то раз, глубокой ночью, незадолго до того, как мы собирались подавать статью о карте, когда Анжелика и дети уже спали, да я и сам собирался на боковую, мне стало любопытно, как выглядит пресловутый квадруполь, и я решил написать компьютерную программу, выстраивающую его изображение. Когда изображение наконец появилось на дисплее (рис. 3.6, слева), оно заинтриговало меня. Паттерн не просто был слабым, как и ожидалось (флуктуации температуры в горячих и холодных пятнах близки к нулю), – вместо случайной мешанины пятен, как предсказывала теория, он образовывал забавный одномерный пояс, окружающий небо. Я уже засыпал, но решил вознаградить себя за ночное программирование и отладку еще одним изображением, так что поменял в программе число 2 на 3 и перезапустил ее, чтобы нарисовать третий мультиполь, называемый октуполем. Ого! Что за?.. Появился другой одномерный пояс (рис. 3.6, посередине), по-видимому, совпадающий по ориентации с квадруполем. Но наша Вселенная не должна быть такой! В отличие от человеческих портретов, на изображениях Вселенной не предполагалось никакого выделенного направления вроде «верха»: они должны выглядеть, как ни поверни, примерно одинаково. Но на «детских снимках» Вселенной на дисплее были полосы, как у зебры, вытянутые в одном направлении. Подозревая, что в моей программе ошибка, я поменял 3 на 4, но рисунок четвертого мультиполя (рис. 3.6, справа) выглядел как ожидалось: случайные пятна без выделенного направления.

Рис. 3.6. Когда карта WMAP, представленная на рис. 3.5, раскладывается на сумму мультиполей, показывающих пятна все меньших размеров, то на первых двух мультиполях (слева и посередине) видно загадочную симметрию относительно некоего направления, названного “осью зла”. Различные цвета показывают, насколько теплее или холоднее среднего небо в данном направлении. Шкала размечена в микрокельвинах, миллионных долях градуса.

Дважды все перепроверив, мы с Анжеликой упомянули о неожиданном открытии в своей статье, посвященной карте. Я был поражен – такой поднялся шум. (Об этом рассказала газета «Нью-Йорк таймс», и редакция даже прислала к нам фотографа.) Мы стали изучать явление подробнее, как и другие группы (одна назвала выделенное направление «осью зла»). Кто-то доказывал, что это статистическая флуктуация или галактическое загрязнение. Другие утверждали, что это явление еще загадочнее, чем считали мы, находя с применением другого метода дополнительные аномалии даже для мультиполей 4 и 5. Некоторые экзотические объяснения, вроде того, что мы живем в небольшой «вселенной-баранке», где пространство замкнуто на себя, были впоследствии отброшены, но и по сей день я озадачен «осью зла» не меньше, чем в ту первую ночь.

Совершеннолетие микроволнового фона

В 2006 году нас с Анжеликой пригласили в Стокгольм, чтобы помочь отметить присуждение Нобелевской премии по физике за открытие COBE. Как часто бывает, в команде COBE были трения по вопросу о научном вкладе участников. Премию разделили Джордж Смут и Джон Мазер, и я с облегчением увидел их умиротворяющий подход к делу. Они смогли пригласить команду COBE приехать и погреться в лучах заслуженной славы. Чувствовалось, что нескончаемая череда вечеринок помогла преодолеть трещины в отношениях, подчеркивая очевидное – все участники не просто помогли двум коллегам получить премию, а совершили нечто гораздо более важное: «детские фотографии» Вселенной породили целое исследовательское направление и начали новую эру в космологии. (Как бы мне хотелось, чтобы Гамов, Альфер и Херман тоже были там!)

21 марта 2013 года я проснулся в пять утра в напряженном ожидании и сразу настроился на прямую интернет-трансляцию из Парижа, где команда спутника «Планк» показывала свои первые изображения микроволнового фона. За 10 лет ACBAR, ACT, Южный полярный телескоп[11] и т. д. углубили наши знания о микроволновом фоне, но это была крупнейшая веха со времен WMAP. Пока я брился, Джордж Эфстатиу рассказывал о результатах. Мне вспомнился март 1995 года, когда Джордж пригласил меня в Оксфорд поработать с ним над новым методом анализа данных «Планка». Это был первый раз, когда меня пригласили в исследовательскую коллаборацию, и я был очень за это благодарен. Мы разрабатывали новую технику очистки загрязненных изображений, которая должна была помочь в обосновании финансирования «Планка» Европейским космическим агентством. И вот результаты наконец станут известны постаревшему на 18 лет Максу!

Когда Джордж показал карту неба, полученную «Планком», я отложил бритву, чтобы вывести на дисплей и очищенную карту WMAP. «Они так похожи! – подумалось мне. – И „ось зла“ на месте!» Я поместил обе карты на рис. 3.5, чтобы вы могли их сравнить. Как видите, крупные детали изумительно совпадают, но на карте «Планка» гораздо больше крошечных пятнышек. Значительное увеличение чувствительности и разрешения позволило разобрать детали, слившиеся на карте WMAP. Карта «Планка» определенно оправдывала ожидания! Я спроецировал ее на сферу. Благодаря превосходному качеству «Планк» фактически предоставил контрольные данные для оценки работы WMAP, и после обработки мне стало ясно, что команда WMAP заслужила «пять с плюсом» (как и команда самого «Планка»). Однако я думаю, что главный сюрприз, который преподнес «Планк», состоит в том, что не обнаружилось никаких сюрпризов: в основном он подтвердил космологическую картину, которая у нас уже была, но с гораздо большей точностью. Исследования космического микроволнового фона вступили в пору зрелости.

Итак, мы отодвинули пределы наших знаний на 14 млрд лет – до 400 тыс. лет после Большого взрыва – и увидели, что все появилось из заполнявшей космос горячей плазмы. В те времена не было ни людей, ни планет, ни даже звезд с галактиками – только атомы, сталкивающиеся друг с другом и излучающие свет. До разгадки происхождения этих атомов мы еще не добрались.

Как появились атомы?

Космический «термоядерный реактор»

Смелая экстраполяция Гамова предсказала космический микроволновый фон, а теперь у нас были и восхитительные «детские фото» Вселенной. Но, словно этого было недостаточно, Гамов продолжил свою экстраполяцию еще дальше в прошлое и вывел из нее другие следствия. Чем дальше в прошлое – тем горячее. Около 400 тыс. лет после Большого взрыва заполнявший пространство водород оказался разогрет до нескольких тысяч градусов. Это всего вдвое меньше, чем на поверхности нашего Солнца, и поэтому он вел себя так же, как водород на Солнце – светился, порождая космический фон микроволнового излучения. Гамов предположил, что через минуту после Большого взрыва температура водорода составляла около 1 млрд градусов. Это горячее, чем в ядре Солнца, а значит, водород должен был делать то же самое, что и водород в солнечном ядре – участвовать в термоядерных реакциях, превращаясь в гелий. Однако расширение и охлаждение Вселенной вскоре выключило космический «термоядерный реактор», охладив его до температуры, при которой он не смог работать, так что у него не было времени, чтобы весь водород превратить в гелий. С подачи Гамова его ученики Альфер и Херман выполнили детальные расчеты этих реакций, однако, поскольку работали они еще в конце 40-х годов, им сильно недоставало современных компьютеров.

Но как проверить это предсказание, если первые 400 тыс. лет жизни Вселенная была непрозрачной и все, что случилось тогда, скрыто от нашего зрения вуалью космического плазменного экрана, порождающего микроволновый фон? Гамов увидел здесь сходство с теорией существования динозавров: их нельзя увидеть непосредственно, но можно посмотреть на окаменелости. Поверяя вычисления группы Гамова с использованием современных данных и компьютеров, можно вывести: когда Вселенная была термоядерным реактором, она успела переработать в гелий 25 % своей массы. Когда вы измеряете долю гелия в далеком межгалактическом газе, изучая с помощью телескопа его спектр, вы обнаруживаете, что его там… эти самые 25 %! Меня эта находка впечатляет столь же сильно, как открытие бедра тираннозавра. Это прямое свидетельство того, что в прошлом происходили безумные вещи: в данном случае все было безумно горячим. Причем гелий – это не единственная «окаменелость». Первичный нуклеосинтез, как стали называть теорию Гамова, также предсказывал, что каждый из примерно 300 тыс. атомов должен быть дейтерием, а каждый пятимиллионный атом – литием. Сейчас оба соотношения измерены и полностью согласуются с теоретическими предсказаниями.

Большой взрыв под вопросом

Впрочем, успех дался нелегко. Теорию Большого взрыва встретили прохладно. Даже название «Большой взрыв» придумал один из оппонентов Гамова, Фред Хойл[12]. В 1950 году за теорией Гамова числилось два важных предсказания, причем оба неверных: о возрасте Вселенной и о распространенности элементов. Первоначальные хаббловские измерения космологического расширения предсказывали, что нашей Вселенной не более 2 млрд лет, и геологов не устраивало, что Вселенная моложе их горных пород. Кроме того, Гамов, Альфер и Херман надеялись, что первичный нуклеосинтез породит практически все наблюдаемые вокруг нас атомы в правильных пропорциях, но ему не удалось произвести даже близкое к нужному количество углерода, кислорода и других обычных для нас элементов – получились только гелий, дейтерий и ничтожное количество лития.

Теперь мы знаем, что Хаббл сильно ошибся в оценке расстояния от нас до галактик. Из-за этого он заключил, что Вселенная расширяется в 7 раз быстрее, чем на самом деле, и, следовательно, она в 7 раз моложе, чем в действительности. В 50-х годах, благодаря улучшенным измерениям, эта ошибка стала исправляться. Недовольные геологи получили подтверждение своей правоты и поостыли.

Второй «провал» теории Большого взрыва также исправили примерно в это время. Гамов провел новаторские исследования термоядерных реакций в звездах. Согласно этой работе, а также исследованиям других ученых, звезды производят почти только гелий – как сейчас Солнце. (Гамов надеялся, что первичный нуклеосинтез может объяснить, откуда взялись все остальные элементы.) Однако в 50-х годах физики-ядерщики открыли, как казалось, случайное совпадение между уровнями ядерной энергии гелия, бериллия, углерода и кислорода, благодаря которому усиливались термоядерные реакции. Фред Хойл первым понял, что это совпадение позволяет звездам на поздних стадиях жизни превращать гелий в углерод, кислород и большинство других элементов, из которых состоим мы. Более того, стало ясно, что звезды завершают жизнь, взрываясь и возвращая многие из порожденных атомов обратно в газовые облака, которые порождают новые звезды, планеты и, в конце концов, нас. Иными словами, мы связаны с небесами теснее, чем думали наши предки: мы созданы из звездной пыли. Мы живем во Вселенной, а Вселенная живет в нас. Эта догадка превратила гамовскую теорию первичного нуклеосинтеза из провала в потрясающий успех: в первые минуты Вселенная создала гелий с добавками дейтерия и лития, а звезды породили все остальные атомы[13]. Загадка происхождения атомов была разрешена. И тут – везет так везет, – едва отношение к теории горячей Вселенной наконец стало теплеть, как мир космологии взбудоражило подтверждение в 1964 году другого гамовского предсказания – послесвечения Большого взрыва в форме космического микроволнового излучения.

Что такое Большой взрыв?

Мы отодвинули границу наших знаний в прошлое почти на 14 млрд лет, к тому времени, когда вся Вселенная была раскаленным термоядерным реактором. Когда я говорю, что верю в гипотезу Большого взрыва, то имею в виду, что я убежден в истинности следующего утверждения, и не более того:

Все, что мы можем наблюдать сейчас, когда-то было горячее солнечного ядра и расширялось так быстро, что менее чем за секунду вдвое увеличивалось в размерах.

Этот взрыв, определенно, был достаточно большим, чтобы оправдать прописную букву в своем названии. Учтите, однако: мое определение, очень осторожное, ничего не говорит о том, что было до взрыва. Например, эта гипотеза не подразумевает, что возраст нашей Вселенной в тот момент составлял секунду, или что некогда она была бесконечно плотной, или она возникла из некоей сингулярности, в которой не действовала наша математика. На заданный в прошлой главе вопрос – есть ли у нас доказательство существования сингулярности в момент Большого взрыва? – имеется простой ответ: нет! Конечно, если мы экстраполируем уравнения Фридмана настолько далеко во времени, насколько они позволяют, они перестанут работать при бесконечно плотной сингулярности примерно за секунду до начала первичного нуклеосинтеза. Однако квантово-механическая теория (гл. 7) говорит, что эта экстраполяция перестает работать раньше, чем достигается сингулярность. Я думаю, очень важно различать то, чему есть надежные подтверждения, и то, что пока находится в области спекуляций. Хотя мы располагаем некоторыми интересными теориями (гл. 5), следует прямо заявить, что мы ничего не знаем наверняка. Вот нынешний рубеж наших знаний. Вообще-то мы даже не уверены, что наша Вселенная действительно имела начало, а не занималась непонятно чем вечность до первичного нуклеосинтеза.

Короче говоря, мы отодвинули границу знания на удивление далеко во времени, уяснив ход космической истории (рис. 3.7). Через 1 млн лет после Большого взрыва пространство было заполнено почти однородным прозрачным газом. Если рассматривать космическую драму в обратном порядке, мы увидим, как газ становится все горячее, его атомы сталкиваются друг с другом все активнее, пока они не распадаются на ядра и свободные электроны и не образуют плазму. Затем мы увидим, как атомы гелия, сталкиваясь, разбиваются на протоны и нейтроны. А те разбиваются на кварки. Тут мы пересекаем границу знания и входим в сферу научных спекуляций: в гл. 5 мы исследуем то, что на рис. 3.7 названо «инфляцией» и «квантовой пеной». Если мы вернемся к миллиону лет после Большого взрыва и запустим время вперед, то увидим, как гравитация увеличивает небольшие сгущения газа, превращая их в галактики, звезды и все разнообразные космические структуры, которые мы наблюдаем сегодня.

Рис. 3.7. Хотя мы мало что знаем о рождении Вселенной, мы хорошо представляем себе, что случилось в следующие 14 млрд лет. По мере того, как Вселенная расширялась и охлаждалась, кварки объединялись в протоны (ядра водорода) и нейтроны, которые, в свою очередь, сливались в ядра гелия. Затем ядра, захватывая электроны, образовывали атомы, а гравитация сложила из атомов галактики, звезды и планеты.

Но гравитация может лишь усиливать малые флуктуации, превращая их в крупные, и не способна порождать флуктуации из ничего. Идеально гладкую и однородную среду гравитация сохранит таковой навсегда. Она не в силах образовать никаких уплотнений, не говоря уже о галактиках. Это означает, что в ранней Вселенной должны были существовать небольшие зародышевые флуктуации, которые гравитация могла усиливать и которые послужили своего рода космическими чертежами, определяющими, где будут формироваться галактики. Откуда могли появиться эти флуктуации? Мы увидели, откуда во Вселенной атомы, но что можно сказать о происхождении величественного паттерна, в который выстроились галактики? Откуда взялась крупномасштабная структура Вселенной? Из множества космологических вопросов, которыми задавались люди, этот кажется мне самым важным. В следующих двух главах я поясню, почему я так считаю.

Резюме

• Свету из далеких источников требуется время, чтобы достичь Земли, поэтому телескопы позволяют нам увидеть ход истории космоса.

• Около 14 млрд лет назад наша Вселенная была горячее, чем нынешнее ядро Солнца, и расширялась настолько быстро, что меньше чем за секунду удваивалась в размерах. Я называю это «Большим взрывом».

• Хотя нам неизвестно, что происходило до Большого взрыва, мы уже многое знаем о произошедшем с тех пор – о расширении пространства и кластеризации вещества.

• В течение нескольких минут Вселенная была гигантским термоядерным реактором и, подобно солнечному ядру, превращала водород в гелий и другие элементы, пока космологическое расширение не сделало ее разреженной и холодной в достаточной мере, чтобы термоядерные реакции остановились.

• Расчеты показывают, что около 25 % водорода превратилось в гелий. Измерения прекрасно согласуются с этим предсказанием и данными о других легких элементах.

• Еще через 400 тыс. лет расширения и разрежения водородно-гелиевая плазма охладилась настолько, что стала прозрачным газом. Мы видим этот переход как далекую плазменную стену, слабое свечение которой известно как космический микроволновый фон (за его изучение присудили две Нобелевских премии).

• За миллиарды лет гравитация превратила нашу Вселенную из однородной и скучной в комковатую и интересную. Гравитация усилила незначительные флуктуации, которые мы наблюдаем на космическом микроволновом фоне, и сформировала из них планеты, звезды, галактики и наблюдаемую сейчас крупномасштабную структуру Вселенной.

• Теория космологического расширения предсказывает, что галактики должны удаляться от нас в соответствии с определенной формулой, которая согласуется с тем, что мы действительно наблюдаем.

• Вся история Вселенной с высокой точностью описывается простыми физическими законами, которые позволяют определять будущее на основании прошлого, и наоборот.

• Физические законы, управляющие историей нашей Вселенной, описываются с помощью математических уравнений. Поэтому самое точное описание нашей космической истории – математическое.

Уменя буквально челюсть отвисла. Я стоял на обочине, лишившись дара речи. Я ежедневно смотрел на небо, всю свою жизнь, но никогда прежде по-настоящему его не видел. Было около пяти утра. Я остановился на обочине шоссе через Аризонскую пустыню, чтобы свериться с картой. И оказался пригвожден к месту: то, что я увидел над головой, ничуть не походило на мутное стокгольмское небо с редкими проблесками тусклых звезд, под которым я вырос. Из тысяч сверкающих точек складывались прекрасные узоры, а поперек небосвода, как величественное галактическое шоссе, тянулся Млечный Путь.

Этому впечатляющему виду способствовали сухой пустынный воздух и высота 2 км над уровнем моря, но, я думаю, вы тоже можете забраться достаточно далеко от городской подсветки, чтобы посмотреть на звездное небо. Чем поразительно звездное небо? Отчасти самими звездами, их огромным числом. Но и еще кое-чем – звездными узорами. Наши предки были так ими заинтригованы, что придумали для их объяснения мифы, а жители некоторых регионов планеты складывали из звезд созвездия, изображавшие мифологических персонажей. Звездное небо не похоже на ткань в горошек, звезды сгруппированы иначе. Самой крупной группировкой звезд из увиденных мною той ночью была галактика Млечный Путь. Ученые с помощью телескопов обнаружили, что другие галактики также складываются в сложные паттерны, образуя группы – скопления галактик, – а также колоссальную волокнистую структуру, тянущуюся на сотни миллионов световых лет. Откуда взялись эти паттерны? Каково происхождение этой грандиозной космической структуры?

В конце прошлой главы мы указали на дестабилизирующее влияние гравитации. Это заставило задуматься о происхождении крупномасштабной структуры Вселенной. Иными словами, интеллектуальный поиск привел нас к тому же вопросу, которым мы задаемся эмоционально, когда восхищаемся видом звездного неба: откуда взялась такая структура?

Требуется точная космология

Мы пока не достигли полного понимания того, как возникла наша Вселенная, и не знаем точно, что происходило до эпохи, когда она была гигантским термоядерным реактором, менее чем за секунду увеличивающимся в размерах вдвое. И все же мы многое знаем о случившемся за 14 млрд лет. Расширение и кластеризация – эти основные процессы, управляемые гравитацией, превратили горячий однородный кварковый «суп» в наполненный звездами космос. Разбирая в прошлой главе историю Вселенной, мы видели, что в процессе расширения концентрация и температура элементарных частиц постепенно снижались, что позволяло частицам группироваться, образуя все более крупные структуры – атомные ядра, атомы, молекулы, звезды, галактики. Нам известны четыре фундаментальных взаимодействия, и три из них по очереди становились движущей силой процесса кластеризации: сильное ядерное взаимодействие породило ядра, электромагнитное взаимодействие создало атомы и молекулы, и, наконец, гравитация образовала грандиозные структуры, украшающие ночное небо.

Но как именно гравитация это сделала? Когда вы останавливаете велосипед на переходе, то гравитация сразу заявляет о себе: вы начинаете заваливаться вбок и вынуждены выставить ногу. Суть неустойчивости в том, что слабые флуктуации усиливаются. Например, чем дальше от равновесного положения находится остановившийся велосипед, тем сильнее гравитация тянет вас в том же неверном направлении. А в космосе происходит вот что: чем дальше Вселенная отходит от идеальной однородности, тем интенсивнее гравитация усиливает скучивание вещества. Если некая область космоса сравнительно плотнее своих окрестностей, то ее гравитация усиливается, позволяя ей еще быстрее аккрецировать массу. (Точно так же проще делать деньги, когда у вас их уже много.) Четырнадцати миллиардов лет вполне достаточно, чтобы гравитационная неустойчивость превратила нашу Вселенную из скучной в интересную, усилив даже малейшие флуктуации плотности до огромных сгущений, таких как галактики.

В 1990 году, когда я поступил в аспирантуру и впервые столкнулся с космологией, детали этой картины расширения и кластеризации все еще оставались неясными. Специалисты спорили, 10 или 20 млрд лет нашей Вселенной, продолжая давнюю дискуссию о том, насколько быстро она расширяется сейчас, и оставался открытым более трудный вопрос о скорости расширения в прошлом. История кластеризации оставалась еще более темной: попытки добиться точного соответствия теории и наблюдений показывали, что мы не понимаем, из чего состоит 96 % нашей Вселенной! После эксперимента COBE было установлено, что скучивание через 400 тыс. лет после Большого взрыва составляло всего 0,002 %. Стало ясно, что гравитации не хватило бы времени, чтобы усилить эту едва заметную кластеризацию до современной крупномасштабной структуры, если бы некая невидимая материя не создавала дополнительное тяготение.

Эта загадочное вещество называют темной материей, хотя эпитет невидимая кажется более подходящим: она скорее прозрачная, и вы даже не заметите, как она проходит сквозь руку. И вправду, темная материя из космоса, сталкиваясь с Землей, по-видимому, проходит нашу планету насквозь, не взаимодействуя с ней. Но будто одной этой странности, темной материи, было недостаточно, так что ученым пришлось ввести в оборот вторую загадочную субстанцию, темную энергию, чтобы добиться согласия теоретических предсказаний с наблюдаемыми параметрами расширения и кластеризации. Считается, что темная энергия влияет на космологическое расширение, совершенно не затрагивая кластеризацию, и всегда остается идеально однородной.

Простейшим кандидатом на роль темной энергии была космологическая постоянная – упоминавшийся выше подгоночный параметр, который Эйнштейн ввел в свою теорию гравитации (и назвал его позднее самой серьезной своей ошибкой). Существование темной материи предположил в 1934 году Фриц Цвикки, чтобы объяснить дополнительное гравитационное притяжение, удерживающее скопления галактик от распада. А Вера Рубин в 60-х годах открыла, что спиральные галактики вращаются настолько быстро, что они разлетелись бы на части, если бы не содержали невидимую гравитирующую массу. Эти идеи были встречены довольно скептически: если ты утверждаешь, что необъяснимые явления связаны с сущностью, которая невидима и способна буквально просачиваться сквозь стены, то не пора ли верить в привидения? К тому же древняя история знает тревожный прецедент: поняв, что планетные орбиты не являются идеальными окружностями, Птолемей усложнил свою теорию, заставив планеты двигаться по меньшим окружностям (эпициклам), которые, в свою очередь, двигались по окружностям. Последующее открытие более точных законов тяготения отменило эпициклы, предсказав, что орбиты планет не круговые, а эллиптические. Возможно, необходимость в темной материи и темной энергии также исчезнет, если открыть еще более точный закон тяготения? И можно ли воспринимать всерьез современную космологию?

Рис. 4.1. И темная материя, и темная энергия невидимы, то есть отказываются взаимодействовать со светом и иными электромагнитными явлениями. Мы догадываемся об их существовании лишь по причине их гравитационного влияния.

Такого рода вопросами мы задавались, когда были аспирантами. Чтобы ответить, требовались гораздо более точные измерения, которые превратили бы космологию из дисциплины умозрительной, небогатой эмпирическими данными, в точную науку. К счастью, произошло именно это.

Точные флуктуации микроволнового фона

Как видно на рис. 3.6, «детскую фотографию» нашей Вселенной, полученную в ходе наблюдений космического микроволнового фона, можно разложить на сумму компонентных карт, называемых мультиполями, которые, по сути, отражают вклад пятен различных размеров. На рис. 4.2 показана общая величина флуктуаций для каждого мультиполя. Эта кривая называется спектром мощности микроволнового фона, и в ней закодирована ключевая космологическая информация, которую содержит карта. Когда вы смотрите на карты неба (рис. 3.4), вы видите пятна разных размеров, как на псе-далматинце: некоторые пятна всего около 1° в поперечнике, другие – 2°, и т. д. Спектр мощности содержит информацию о том, сколько имеется пятен каждого размера.

Рис. 4.2. Точные измерения зависимости флуктуаций космического микроволнового фона от углового масштаба исключают многие популярные прежде теоретические модели, но прекрасно согласуются с кривыми, которые предсказаны современной стандартной моделью. Этот график позволяет оценить замечательные аспекты современной космологии, не беспокоясь о деталях: высокоточные измерения существуют, они полностью согласуются с теоретическими предсказаниями.

Но самое замечательное то, что спектр мощности можно не только измерить, но и предсказать: для любой математически заданной модели расширения и кластеризации Вселенной можно точно рассчитать вид спектра мощности. Как показано на рис. 4.2, предсказания для разных моделей сильно различаются. Доступные сегодня измерения с высокой степенью надежности исключают все теоретические модели, представленные на рис. 4.2, кроме одной (несмотря на то, что в годы моей аспирантуры за каждой «убитой» моделью стоял кто-нибудь из моих уважаемых коллег, и порою не один). Предсказываемая форма спектра мощности сложным образом зависит от всего, что влияет на космологическую кластеризацию (включая плотность атомов, плотность темной материи, плотность темной энергии и природу первичных флуктуаций), так что если мы скорректируем допущения обо всех этих вещах так, чтобы предсказания совпадали с измерениями, мы не только подтвердим, что модель работает, но и измерим эти важные физические величины[14].

Телескопы и компьютеры

Когда в аспирантуре я впервые узнал о космическом микроволновом излучении, никаких измерений спектра мощности еще не было. Затем команда COBE дала первый набросок этой трудноуловимой извивающейся кривой, определив, что ее высота в левой части составляет около 0,001 % и что она идет примерно горизонтально. Данные COBE содержали больше информации о спектре мощности, но никто ее не выделил, поскольку для этого требовались трудоемкие манипуляции с таблицами чисел – матрицами, – занимавшими до 31 мегабайта памяти. В 1992 году эта величина была устрашающей. С однокурсником Тедом Банном мы придумали коварный план. У нашего профессора Марка Дэвиса был компьютер с объемом памяти более 32 мегабайт, который мы называли «волшебной горошиной», и ночь за ночью я логинился на него в предрассветные часы, когда никто не следил, и запускал анализ наших данных. Через несколько недель подпольной работы мы опубликовали статью с наиболее точными на тот момент данными о форме кривой спектра мощности.

Этот проект позволил мне понять, что достижения компьютерной техники способны вывести астрономию на новый уровень – подобно тому, как телескопы изменили ее лицо. Судите сами: ваш нынешний компьютер настолько мощен, что мог бы повторить наши с Тедом вычисления за несколько минут. Я решил, что если экспериментаторы вкладывают так много труда в сбор данных о Вселенной, люди вроде меня просто обязаны взять из этих данных все, что только возможно. Это стало лейтмотивом моей работы в следующее десятилетие.

Я был одержим задачей, как наилучшим образом определить спектр мощности. Существовали быстрые методы, которые давали погрешности и отличались другими недостатками. Затем мой друг Эндрю Гамильтон разработал оптимальный метод, но, к сожалению, его требования к компьютерному времени росли как шестая степень числа пикселов на карте неба, так что длительность определения спектра мощности по карте COBE превысила бы возраст Вселенной.

21 ноября 1996 года. В Принстонском институте перспективных исследований в штате Нью-Джерси тихо и темно. Я провожу еще одну ночь в кабинете. Меня волнует возможность замены метода шестого порядка Эндрю Гамильтона методом третьего порядка, позволяющим оптимально определить спектр мощности COBE менее чем за час, и я хочу закончить статью к завтрашней конференции. Профессиональные физики загружают свои только что написанные статьи на общедоступный сайт http://arXiv.org, чтобы коллеги могли прочесть их прежде, чем тексты надолго увязнут в процессе журнального рецензирования и публикации. Однако у меня была манера загружать статьи до завершения работы над ними – сразу после наступления суточного дедлайна для подачи таких препринтов. Таким образом, я оказывался первым в списке статей следующего дня. Недостаток в том, что если не успеть закончить статью за 24 часа, то я опозорюсь на весь мир, опубликовав сырой черновик, который станет вечным памятником моей глупости. На этот раз моя стратегия дала сбой, и ранние пташки в Европе наткнулись на недоделанный раздел обсуждения в моей статье, который я закончил лишь около четырех утра. На конференции мой друг Ллойд Нокс представил похожий метод, который он разработал совместно с Эндрю Яффе и Диком Бондом в Торонто, но еще не подготовил для публикации. Когда я рассказывал о своих результатах, Ллойд, ухмыльнувшись, сказал Дику: «Тегмарк – быстрые пальчики!» Наш метод оказался чрезвычайно полезным и с тех пор применяется практически во всех измерениях спектра мощности микроволнового фона. Мы с Ллойдом, похоже, шли по жизни параллельными курсами: нам одновременно приходили в голову одинаковые идеи (впрочем, он обогнал меня с выводом замечательной формулы для шума на картах микроволнового фона), в одно и то же время у нас родилось двое сыновей, и даже развелись мы синхронно.

Золото в холмах

По мере совершенствования экспериментов, компьютеров и методов результаты измерения кривой спектра мощности (рис. 4.2) становились все точнее. Как видно на рисунке, предсказываемая форма кривой отчасти напоминает холмы Калифорнии. Если обмерить много немецких догов, пуделей и чау-чау и нарисовать их распределение по размеру, получится кривая с тремя пиками. А если измерить множество пятен космического микроволнового фона (рис. 3.4) и нарисовать их распределение по размерам, окажется, что пятна определенного размера встречаются особенно часто. Наиболее заметный пик на рис. 4.2 соответствует пятнам с угловым размером около 1°. Почему? Эти пятна были порождены звуковыми волнами, распространявшимися по космический плазме почти со скоростью света, а поскольку плазма просуществовала 400 тыс. лет после Большого взрыва, эти пятна выросли в размерах примерно до 400 тыс. световых лет. Если посчитать, под каким углом на нашем небосводе 14 млрд лет спустя видно сгущение размером 400 тыс. световых лет, получится около 1°. Если, конечно, пространство не искривлено…

Существует не один вид однородного трехмерного пространства (гл. 2): кроме плоской разновидности, которую аксиоматизировал Евклид и мы изучали в школе, существуют искривленные пространства, где углы подчиняются иным правилам. В школе меня учили, что углы треугольника на листе бумаги дают в сумме 180°. Но если нарисовать треугольник на искривленной поверхности апельсина, то в сумме они дадут больше 180°, ну а если на седле, сумма окажется меньше 180° (рис. 2.7). Аналогично, если наше физическое пространство искривлено подобно сферической поверхности, то угол, охватываемый каждым пятном микроволнового фона, окажется больше, а значит, пики на кривой спектра мощности сместятся влево. Если же пространство имеет седловидную кривизну, пятна будут казаться меньше, и пики сместятся вправо.

Я считаю одной из самых красивых идей в эйнштейновской теории гравитации ту, что геометрия – это не только математика, но и физика. В частности, уравнения Эйнштейна показывают: чем больше материи в пространстве, тем сильнее последнее искривляется. Эта кривизна пространства заставляет предметы двигаться не по прямым линиям, а искривлять свою траекторию в сторону массивных объектов – таким образом, гравитация объясняется как проявление геометрии. Это открывает совершенно новый способ взвешивания Вселенной: надо просто измерить первый пик спектра мощности космического микроволнового фона. Если его положение покажет, что пространство плоское, уравнения Эйнштейна скажут, что средняя космическая плотность составляет около 10⁻²⁶ кг/м³, что соответствует примерно 10 мг в расчете на объем Земли или примерно 6 атомам водорода на кубический метр. Если пик смещен левее, то плотность выше, и наоборот. Из-за путаницы, связанной с темной материей и темной энергией, измерение совокупной общей плотности имеет огромное значение, и экспериментальные группы по всему миру стремились получить данные об этом первом пике, который, как ожидалось, будет обнаружить проще всего: крупные пятна легче измерить.

Я уловил первые признаки этого пика в 1996 году в статье, написанной по материалам Саскатунского проекта, инициатором которого был Барт Неттерфилд, ученик Лаймана Пейджа. «Вау!» – подумал я и опустил ложку с мюсли, чтобы во всем разобраться. Умом я понимал, что теория, стоящая за пиками спектра мощности, очень элегантна, однако нутром чувствовал, что человеческие экстраполяции не могут работать так хорошо. Через три года Эмбер Миллер, также ученица Лаймана Пейджа, инициировала более точные измерения первого пика и обнаружила, что он находится примерно в том месте, где должен быть в случае плоской Вселенной. Но почему-то тогда казалось, что это слишком хорошо, чтобы быть правдой. Наконец, в апреле 2000 года я вынужден был признать правоту этих ученых. Микроволновый телескоп Boomerang на высотном аэростате размером с футбольное поле за 11 суток облетел Антарктиду и получил самые точные в то время данные для определения спектра мощности, показавшие красивый пик ровно на том месте, которое соответствует плоской Вселенной. Так мы узнали совокупную плотность нашей Вселенной (усредненную по всему пространству).

Темная энергия

Эти измерения привели к интересной ситуации с бюджетом космической материи. Как видно на рис. 4.3, совокупный бюджет известен нам по положению первого пика, но мы также знаем плотность обычной материи и плотность темной материи по данным об их гравитационном влиянии на космическую кластеризацию. Однако вся эта материя дает лишь около 30 % общего бюджета, а значит, 70 % должны представлять собой некую форму материи, не подверженной кластеризации, – так называемую темную энергию.

Рис. 4.3. Бюджет космической материи. Положения пиков спектра мощности микроволнового фона на горизонтальной оси указывают на то, что пространство плоское, а общая плотность материи (усредненная по всей Вселенной) примерно в миллион триллионов триллионов (1030) раз ниже плотности воды. Высоты пиков говорят нам о том, что на обычную и темную материю приходится примерно 30 % общей плотности, а еще 70 % должно приходиться на нечто другое.

Только что я рассказал много интересных вещей, но не произнес главное слово: сверхновые. Совершенно независимые данные, полученные в ходе изучения космологического расширения, а не кластеризации, привели к тому же 70-процентному значению для темной энергии. Мы уже говорили о применении переменных звезд цефеид в качестве стандартных свечей для измерения космических расстояний. Но теперь космологи заполучили в качестве инструмента другую, значительно более яркую, стандартную свечу, которую можно видеть не только в миллионах, но даже в миллиардах световых лет. Это колоссальные космические взрывы, называемые сверхновыми типа I^a, которые за несколько секунд могут испускать больше энергии, чем 100 миллионов миллиардов солнц.

Помните первую строфу песенки «Ты свети, звезда, мерцая»? Когда Джейн Тейлор записала строчку «…как алмаз, ночь украшая», она даже не догадывалась, насколько права: Солнце через 5 млрд лет умрет, закончив свои дни белым карликом (он представляет собой гигантский шар, состоящий – как и алмаз – в основном из атомов углерода). Сейчас во Вселенной полно белых карликов. Многие постоянно наращивают массу, заглатывая газ соседних умирающих звезд-компаньонов, вокруг которых они обращаются. Как только у них официально фиксируется избыточный вес (при достижении 1,4 массы Солнца), у них случается звездный эквивалент инфаркта: они теряют стабильность и испытывают гигантский термоядерный взрыв – превращаются в сверхновую типа I^a. Поскольку эти «космические бомбы» имеют почти одинаковую массу, неудивительно, что и по мощности они примерно равны.

Более того, небольшие вариации в мощности взрыва связаны с его спектром, а также скоростью нарастания и спада вспышки. Эти параметры можно измерить, что позволило астрономам превратить сверхновые типа I^a в точные стандартные свечи. Этим методом воспользовались Сол Перлмуттер, Адам Рисс, Брайан Шмидт, Роберт Киршнер и их коллеги для точного измерения расстояний до множества сверхновых типа I^a с одновременным определением скорости их удаления по красным смещениям. На основе этих измерений ученые подготовили самую точную для своего времени реконструкцию скорости расширения Вселенной в прошлом. В 1998 году они объявили о замечательном открытии, которое принесло им в 2011 году Нобелевскую премию по физике: в течение 7 млрд лет замедляясь, космологическое расширение затем вновь стало ускоряться и ускоряется до сих пор! Если вы подбросите камень, тяготение планеты будет замедлять его удаление от Земли, так что космологическое ускорение демонстрирует странную гравитационную силу, которая проявляется не в притяжении, а в отталкивании. Теория гравитации Эйнштейна предсказывает, что темная энергия обладает как раз таким антигравитационным эффектом, а группа, исследовавшая сверхновые, обнаружила, что 70-процентная доля темной энергии в составе космической материи объясняет их наблюдения.

50-процентный средний уровень

Мне нравится быть ученым: это дает возможность работать с замечательными людьми. Чаще всего моим соавтором был дружелюбный аргентинец Матиас Салдарриага. Мы с бывшей женой звали его за глаза «Великий Салда», соглашаясь, что единственная вещь, которая превосходит его талант, – это его чувство юмора. Он участвовал в написании компьютерных программ, которые использовались для предсказания кривых спектра мощности (вроде тех, что на рис. 4.2), а однажды поспорил на авиабилет до Аргентины, что все его предсказания ошибочны и не существует ни одного пика. Готовясь к получению результатов проекта Boomerang, он ускорил свои вычисления и насчитал огромную базу данных моделей, с которыми можно было сравнивать измерения. Так что, когда данные стали доступны Boomerang, я вновь загрузил на http://arXiv.org неоконченную статью и имел удовольствие вкалывать сутки подряд, чтобы завершить ее к воскресному вечеру. Обычная (атомарная) материя испытывает столкновения там, где темная материя проходит насквозь, и эти два типа материи по-разному движутся в космосе. А значит, они по-разному влияют на кривую спектра мощности микроволнового фона (рис. 4.2). Команда Boomerang сообщила об едва заметном втором пике, и мы с Матиасом определили, что в таком случае атомы должны составлять по крайне мере 6 % общего бюджета космической материи. Однако первичный нуклеосинтез (космический термоядерный реактор, который мы обсуждали в гл. 3) идет, только если на атомы приходится 5 % – значит, где-то ошибка! В эти сумасшедшие дни я оказался в Альбукерке, куда приехал делать доклад, и был по-настоящему взволнован, рассказывая аудитории об этих новых уликах, которые нам подбросила Вселенная. Мы с Матиасом едва успели к дедлайну, и наша статья появилась в интернете непосредственно перед статьей, в которой команда Boomerang анализировала собственные данные: придирчивый компьютер задержал их по дурацкой причине – подпись к иллюстрации оказалась на одно слово длиннее положенного.

Перекрестная проверка – неприятная штука, когда имеешь дело с налоговой инспекцией, но в науке это хорошая вещь. Проект Boomerang дал космологам возможность провести две перекрестные проверки бюджета космической материи:

1. Мы измерили долю темной энергии двумя разными способами (по сверхновым типа I^a и по пикам космического микроволнового излучения), и результаты сошлись.

2. Мы измерили долю обычной материи двумя разными способами (по первичному нуклеосинтезу и по пикам космического микроволнового излучения), и результаты не сошлись, так что по крайней мере один из методов был ошибочным.

Пик возвращается

Год спустя в шикарном зале для пресс-конференций в Вашингтоне я сижу в кресле, как приклеенный, чувствуя себя так, словно с минуты на минуту в комнату войдет Санта-Клаус, да не один, а целых три. Первым был Джон Карлстрем, сообщивший результаты, полученные микроволновым телескопом DASI на Южном полюсе. После разглагольствований об уже известных мне технических деталях – бум! – выясняется, что получен самый замечательный график спектра мощности из всех, какие мне встречались – с тремя отчетливыми пиками. Затем появился Санта № 2: Джон Рал из Boomerang. Опять разглагольствования, и снова – бум! Еще один замечательный спектр мощности с тремя пиками, прекрасно согласующийся с измерениями DASI. Причем некогда невзрачный второй пик заметно подрос после того, как они усовершенствовали конструкцию телескопа. Наконец, Санта № 3: Пол Ричардс сообщил результаты измерений в ходе аэростатного эксперимента MAXIMA, которые согласовывались с остальными данными. Я был в восторге. Столько лет я мечтал об уликах, закодированных в микроволновом фоне, и вот они! Это было так дерзко – считать, что мы знаем, что именно Вселенная делала всего через несколько сотен тысяч лет после Большого взрыва, – и все же мы оказались правы. В эту ночь я быстро перезапустил свою программу подбора модели с новыми данными о микроволновом фоне, и теперь, когда второй пик стал выше, мой код предсказал 5 % атомов – в полном согласии с теорией первичного нуклеосинтеза. Перекрестная атомная проверка из провала превратилась в успех, порядок в космосе был восстановлен. Этот порядок сохранился до сих пор: WMAP, «Планк» и другие проекты измерили кривую спектра мощности еще точнее, но, как видно на рис. 4.2, в трех первых экспериментах все было определено правильно.

Точные данные о кластеризации галактик

К 2003 году фон космического микроволнового излучения стал, пожалуй, величайшим в истории успехом космологии. Многие увидели в нем панацею, способную решить все наши проблемы и измерить все ключевые параметры космологических моделей. Это впечатление было ошибочным. Допустим, проведя измерения, вы определили, что мой вес составляет 90 кг. Очевидно, этой информации недостаточно, чтобы узнать мой рост и объем талии, поскольку вес зависит от обоих этих параметров: я могу оказаться высоким и тощим или низким и упитанным. Мы сталкиваемся с похожими проблемами, когда пытаемся измерить ключевые параметры Вселенной. Например, характерные размеры пятен микроволнового фона, соответствующие положениям пиков спектра мощности на горизонтальной оси (рис. 4.2), зависят и от кривизны пространства (которая увеличивает либо уменьшает эти пятна), и от плотности темной энергии (которая изменяет скорость расширения Вселенной, а значит, и расстояние до плазменной поверхности с ее пятнами, что также заставляет их казаться крупнее или мельче). Поэтому, хотя многие журналисты заявляли, что такие эксперименты, как Boomerang и WMAP продемонстрировали плоскую геометрию пространства, на самом деле это не так: Вселенная может быть и плоской, содержащей около 70 % темной энергии, и искривленной, с иным количеством темной энергии. Есть и другие пары космологических параметров, которые трудно разделить на основе анализа микроволнового фона. Например, амплитуда неоднородностей в ранней Вселенной и время появления первых звезд влияют на спектр мощности (рис. 4.2) сходным образом (в данном случае меняя высоту пиков). Как известно из школьной алгебры, для определения двух величин требуется более одного уравнения. В космологии мы хотим определить около 7 параметров, и в одном только микроволновом фоне для этого просто недостаточно данных. Так что необходима дополнительная информация из других космологических измерений. Например, из трехмерных карт галактик.

Обзоры красных смещений галактик

Когда мы строим трехмерную карту расположения галактик во Вселенной, мы сначала анализируем двумерные фотографии неба, чтобы найти галактики, а затем проводим дополнительные измерения, чтобы определить, насколько далеко галактики находятся. Самый масштабный пока проект трехмерного картографирования называется Слоуновским цифровым обзором неба (SDSS). (Мне повезло в нем поучаствовать, когда я был постдоком в Принстоне.) Более десяти лет небольшой армии специалистов понадобилось, чтобы отснять треть неба с помощью специально построенного в Нью-Мексико 2,5-метрового телескопа и получить двумерную карту неба (рис. 4.4). Принстонский профессор Джим Ганн, напоминавший мне добродушного волшебника, использовал свою магическую силу, чтобы построить для этого телескопа поразительную цифровую камеру, самую большую из когда-либо применявшихся для решения астрономических задач.

Рис. 4.4. Количество информации в Слоуновском цифровом обзоре неба поразительно. Левый рисунок, представляющий все небо, содержит почти терапиксел – миллион мегапикселов. Последовательно увеличивая фрагменты, мы добираемся до галактики Водоворот, находящейся в созвездии Большой Медведицы, но такой же уровень детализации доступен в любой точке изображения. (Иллюстрация: Майк Блэнтон и Дэвид Хогг/Коллаборация SDSS.)

Если вы приглядитесь к изображениям неба в этом обзоре (рис. 4.5), вы обнаружите множество звезд, галактик и других объектов – их там более полумиллиарда. Это означает, что если вы попросите аспиранта отыскать все объекты, то, затрачивая на каждый по одной секунде и работая 8 часов в день без перерывов и выходных, он справится с этой работой за 50 лет, а вы получите награду как худший в истории научный руководитель. Поиск этих объектов оказался на удивление сложным даже для компьютера: необходимо уметь различать галактики, звезды (которые казались бы точечными, если бы не атмосферное размытие), кометы, спутники и т. д. Хуже того, объекты накладываются друг на друга – например, близкая звезда досадным образом оказывается на фоне далекой галактики. Несколько лет спустя эту проблему удалось решить благодаря героическим программистским усилиям Роберта Лаптона, веселого англичанина, который подписывал электронные письма «Роберт Лаптон Добрый» и всегда ходил босиком (рис. 4.5).

Следующий шаг – понять, на каком расстоянии находится каждая галактика. Закон Хаббла v = Hd означает, что Вселенная расширяется, и чем больше расстояние d до далекой галактики, тем выше скорость v, с которой она удаляется от нас. Закон Хаббла надежно подтвержден, и его можно применить как метод измерения расстояний: определив по красному смещению спектральных линий скорость удаления галактики, можно узнать расстояние до нее. Измерять красные смещения и скорости легко, а расстояния трудно, так что закон Хаббла позволяет сэкономить массу усилий: как только постоянная Хаббла H определена по близким галактикам, достаточно измерить скорости v далеких галактик по красным смещениям их спектров и поделить их на H.

Рис. 4.5. Роберт Лаптон вместе с моими сыновьями рассматривает небольшую часть карты Слоуновского цифрового обзора неба, украшающую стену на астрономическом факультете Принстонского университета. После того как разработанное Робертом программное обеспечение выявило все объекты на карте, были измерены расстояния до большинства интересных галактик и получилась трехмерная карта (слева), где мы в центре, а каждая точка представляет галактику. Слоуновскую Великую стену можно найти, отступив примерно на треть от верхнего края изображения.

Из каталога объектов, составленного с помощью программы Лаптона, было отобрано около миллиона самых интересных для измерения спектров. Чтобы собрать свет 24 спектров галактик, благодаря которым Эдвин Хаббл открыл космологическое расширение, требовались недели. А в Слоуновском цифровом обзоре неба конвейер по производству спектров выдает их по 640 в час, причем все измеряются одновременно. Хитрость в том, чтобы расставить 640 оптических волокон в тех местах фокальной плоскости телескопа, где, по данным каталога Лаптона, должны быть изображения галактик; а затем все волокна направляют галактический свет в спектрограф, который раскладывает их в радужные полоски, фиксируемые цифровой камерой. Другой программный пакет, разработанный Дэвидом Шлегелем и его коллегами, анализирует эти спектры и определяет по красным смещениям спектральных линий расстояние и другие характеристики для каждой галактики.

В левой части рис. 4.5 я изобразил трехмерный срез Вселенной, на котором каждая точка представляет галактику. Когда мне хочется отвлечься, я люблю полетать с помощью трехмерного симулятора космологических полетов. При этом открывается нечто изумительно красивое: мы являемся частью грандиозной структуры. Не только наша планета – часть Солнечной системы, а Солнечная система – часть Галактики, но и сама наша Галактика – часть паутины групп, скоплений, сверхскоплений и гигантской волокнистой структуры, сплетенной из галактик. Разглядывая эту карту, я заметил нечто, сегодня известное как Слоуновская Великая стена (рис. 4.5, слева), и был так поражен размерами этого объекта, что сначала заподозрил ошибку в своей программе. Но некоторые мои коллеги независимо обнаружили, что этот объект действительно существует: он имеет протяженность 1,4 млрд световых лет и является крупнейшей известной структурой во Вселенной. Этот крупномасштабный паттерн кластеризации – космологический клад, в котором закодирована важнейшая информация, отсутствующая в микроволновом космическом фоне.

Космология: от традиционной к прецизионной

Паттерны в распределении галактик в действительности те же, проявления которых мы увидели на карте космического микроволнового фона, но только они показаны миллиарды лет спустя и усилены гравитацией. В области пространства, в которой газ когда-то был на 0,001 % плотнее, чем в окрестностях, и вызывал появление пятна на карте WMAP (рис. 3.4), сегодня может располагаться скопление из сотни галактик. В этом смысле флуктуации микроволнового фона можно рассматривать как космическую ДНК, чертеж, согласно которому развивается Вселенная. Сравнивая едва заметную в прошлом кластеризацию, просматриваемую на космическом микроволновом фоне, и ярко выраженный современный паттерн кластеризации на трехмерной карте галактик, можно уточнить природу материи, притяжение которой до настоящего времени заставляло кластеризацию усиливаться.

Кластеризация микроволнового фона характеризуется кривой спектра мощности (рис. 4.2), и то же верно для кластеризации галактик. Однако найти точный вид этой кривой оказалось очень трудно: измерение показанного на рис. 4.6 галактического спектра мощности на основе данных Слоуновского цифрового обзора неба, несмотря на огромную помощь коллег, заняло у меня шесть – шесть! – лет и стало самым утомительным проектом в моей жизни. Раз за разом я думал: «Как здорово, что я наконец с этим почти покончил, я просто не вынесу, если это продолжится!» – и тут же обнаруживал новые проблемы в своих выкладках.

Рис. 4.6. Скучивание материи во Вселенной описывается кривой спектра мощности. Тот факт, что отметке 1000 млн световых лет соответствует значение 10 % на кривой, означает, грубо говоря, что если измерить количество массы в сфере такого радиуса, то результат будет варьировать в пределах 10 % в зависимости от того, где в пространстве поместить эту сферу. Сегодня существуют высокоточные измерения, и они согласуются с теоретическими предсказаниями. Мне кажется особенно важным, что пять различных способов измерения этой кривой согласуются друг с другом, хотя и сами данные, и люди, которые их получали, и применяемые методы различны.

Почему это оказалось так трудно? Ну, все было бы проще, знай мы точное положение каждой галактики во Вселенной и будь у нас бесконечно мощный компьютер для анализа данных. Многие галактики по разным причинам нам не видны, а для некоторых из видимых расстояние и светимость не такие, как мы думаем. Если игнорировать эти осложнения, получается некорректный спектр мощности, который приводит к неправильным выводам о Вселенной.

Первые трехмерные карты галактик были настолько малы, что на их анализ не имело смысла тратить время. Мой коллега Майкл Воугли дал мне замечательный рисунок, сводящий воедино все измерения, сделанные примерно до 1996 года, и когда я спросил его, почему на нем нет «усов», характеризующих погрешности измерений, он ответил: «Я не доверяю этим измерениям». У него были основания для скептицизма: у одних групп мощность получалась в 10 раз больше, чем у других.

Научные группы по всему миру создавали более крупные трехмерные карты и публиковали их в интернете. Я подумал: если так много людей вкладывает так много сил в создание этих карт, они заслуживают тщательного анализа. Мы с Эндрю Гамильтоном решили не жалеть времени и определить спектр мощности распределения галактик, опираясь на методы теории информации вроде тех, которые мы разработали для анализа космического микроволнового фона.

Эндрю – неисправимо жизнерадостный британец, один из моих любимых соавторов. Однажды я опоздал в ресторан, где встречался с Эндрю и моими друзьями Вэйном Ху и Дэвидом Хоггом, недавно побрившим голову. Когда я спросил официантку, не видела ли она троицу, напоминавшую Роберта Редфорда, Брюса Ли и Коджака, она на мгновение задумалась и, улыбнувшись, сказала: «Да, я вижу Роберта Редфорда…» Сначала мы анализировали постоянно растущие трехмерные карты с невнятными названиями вроде IRAS, PSCz, UZC и 2dF, охватывающие около 5, 15, 20 и 100 тыс. галактик соответственно. Эндрю жил в Калифорнии, и мы бесконечно обсуждали математические тонкости измерения спектра мощности в электронной переписке, по телефону и в пеших походах в горы.

Карта Слоуновского цифрового обзора неба была самой большой и точной среди всех: в ее основе лежала полностью цифровая обработка изображений и тщательнейший контроль качества, и я чувствовал, что она заслуживает самого усердного анализа. Поскольку цепочка рассуждений прочна ровно настолько, насколько прочно ее самое слабое звено, я потратил годы, разбираясь с заковыристыми вопросами, которые многим казались скучными. Профессор Джилл Напп, жена Джима Ганна и одна из главных движущих сил проекта, организовывала еженедельные встречи в Принстоне, где за ее несравненным угощением мы пытались обнаружить все скелеты в шкафах нашего анализа и придумать, что с ними делать. Например, количество галактик, нанесенных на карту в конкретном направлении, зависело от того, насколько хорошей была погода, когда фотографировался участок, а также от количества галактической пыли в этом направлении и доли видимых галактик, которую удавалось охватить оптическими волокнами. Откровенно говоря, это было скучно, так что я не стану утомлять вас деталями. И все же я получил огромную помощь от множества людей, в особенности от профессора Майкла Страусса и его аспиранта Майка Блэнтона. Параллельно шел нескончаемый цикл многонедельных обсчетов терабайтов числовых таблиц, называемых матрицами, причем после каждого захода я просматривал запутанные графики, отлаживал код и запускал все заново.

В 2003 году, после шести лет работы я наконец опубликовал две статьи, и у каждой было более 60 соавторов. Никогда в жизни я не чувствовал большего облегчения от завершения какого-либо дела, за исключением, возможно, этой книги. Первая статья была посвящена измерению галактического спектра мощности (рис. 4.6), а вторая касалась оценки космологических параметров на основе этих данных и спектра мощности микроволнового фона. Важнейшие результаты указаны в табл. 4.1: я обновил данные с учетом последних измерений, выполненных другими авторами. Значения при этом сильно не изменились, хотя погрешности уменьшились. У меня еще свежи в памяти дебаты времен моей учебы в аспирантуре: каков возраст Вселенной – 10 или 20 млрд лет? А сейчас мы спорим, составляет он 13,7 или 13,8 млрд лет! Точная космология наконец-то родилась, и я горжусь, что сыграл скромную роль в ее появлении.

Табл. 4.1. Совмещая карты космического микроволнового фона с трехмерными картами распределения галактик, можно измерить ключевые космологические параметры с точностью до нескольких процентов.

Лично мне итог этой работы принес большую удачу. Осенью 2004 года Массачусетский технологический институт рассматривал мою кандидатуру на должность постоянного профессора, и мне сказали, что для этого надо «взять главный приз или, на худой конец, бронзовую медаль». Подобно чартам с рейтингами продаж у музыкантов, у ученых есть индексы цитирования: всякий раз, когда кто-то упоминает вашу статью, он записывает очко в вашу пользу. Порой цитирование бывает случайным и даже глупым, оно подвержено эффекту толпы, поскольку ленивые авторы склонны копировать у других ссылки, даже не читая цитируемые статьи, но аттестационные комиссии носятся с индексом цитирования, как бейсбольные тренеры с рейтингом игроков. И тут мне по-настоящему повезло – эти две статьи неожиданно стали самыми цитируемыми из всех моих публикаций, а одна даже стала самой цитируемой статьей по физике в 2004 году. Хотя она продержалась в этом статусе не очень долго, этого хватило для одобрения моей кандидатуры на должность профессора. А потом журнал «Сайенс» решил, что «главным научным прорывом 2003 года» стало появление доверия к космологии, упомянув при этом результаты WMAP и наш анализ данных Слоуновского цифрового обзора неба.

По правде сказать, эти данные вовсе не стали прорывом, они лишь отражали медленный, но неуклонный прогресс мирового космологического сообщества в последние годы. Наша работа ни в коей мере не была революционной, мы не открыли ничего удивительного. Скорее мы просто способствовали повышению доверия к космологии и ее превращению в более зрелую науку. Для меня самым большим сюрпризом стало как раз отсутствие сюрпризов.

Знаменитый советский физик Лев Ландау сказал, что космологи часто ошибаются, но никогда не сомневаются, и мы видели множество примеров этого – от Аристарха, утверждавшего, что Солнце в 18 раз ближе, чем оно на самом деле, до Хаббла, который в 7 раз завысил скорость расширения Вселенной. Эта эпоха «Дикого Запада» подошла к концу. Мы видели, что и теория первичного нуклеосинтеза, и теория космической кластеризации дают одинаковый результат для плотности атомов и что сверхновые типа I^a дают то же значение для плотности темной энергии, что и данные космической кластеризации. Из всех перекрестных проверок моя любимая – та, что представлена на рис. 4.6: там я начертил пять результатов измерения кривой спектра мощности. Хотя получившие их люди и их методы были разными, все пять, как видите, согласуются друг с другом.

Окончательная карта нашей Вселенной

Еще многое предстоит найти

Я сижу в постели, набираю эти слова и думаю о том, как сильно изменилась космология. В те годы, когда я был постдоком, мы часто обсуждали, как было бы здорово получить прецизионные данные и, наконец, точно измерить все интересующие нас космологические параметры. Сегодня можно сказать: дело сделано, ответы – в табл. 4.1. И что теперь? Космология исчерпана? Следует ли космологам подыскать себе другое занятие? Нет! Чтобы оценить, как много интересного еще предстоит сделать, честно взглянем на то немногое, чего удалось достичь космологам: по большому счету, мы лишь параметризовали наше незнание – в том смысле, что за каждым параметром в табл. 4.1 стоит необъясненная загадка. Например:

• Мы измерили плотность темной материи. Но что это такое?

• Мы измерили плотность темной энергии. Но что это такое?

• Мы измерили плотность атомов (1 атом приходится примерно на 2 млрд фотонов). Но какой процесс привел к такому соотношению?

• Мы посчитали, что амплитуда первоначальных флуктуаций составляла 0,002 %. Но какой процесс их породил?

По мере улучшения качества данных мы сможем использовать их для измерения параметров в табл. 4.1 со все более высокой точностью, то есть со все большим числом цифр после запятой. Но меня гораздо сильнее вдохновляет использование улучшенных данных для измерения новых параметров. Например, можно попробовать определить иные, кроме плотности, параметры темной материи и темной энергии. Есть ли у темной материи давление? А скорость? А температура? Это могло бы пролить свет на ее природу. Действительно ли плотность темной энергии строго постоянна? Если бы удалось измерить даже малейшие ее изменения во времени или от места к месту, это дало бы нам ключ к пониманию ее природы и того, как темная энергия влияет на будущее нашей Вселенной. Есть ли у первичных флуктуаций еще какие-либо закономерности или свойства помимо амплитуды в 0,002 %? Это могло бы многое рассказать о происхождении Вселенной.

Я много думал над тем, как подступиться к этим вопросам, и на все эти вопросы ответ один: получить карту Вселенной! В частности, нам нужны максимально подробные трехмерные карты Вселенной. Наибольший объем, который мы в принципе можем нанести на карту – та часть пространства, свет из которой успел до нас дойти. Данный объем, в сущности, соответствует внутренности плазменной сферы (рис. 4.7, слева), которую мы исследовали, и, как видно из центрального изображения на этом рисунке, свыше 99,9 % этого объема остается неисследованным. Видно также, что наша лучшая трехмерная карта галактик, построенная на основе данных Слоуновского цифрового обзора неба, покрывает лишь наши ближайшие космологические окрестности – Вселенная поистине колоссальна! Если добавить на этот рисунок самые далекие галактики, когда-либо открытые астрономами, они будут чуть дальше, чем на полпути до края, и их окажется слишком мало, чтобы составить сколько-нибудь полезную трехмерную карту.

Рис. 4.7. Сравнительно с наблюдаемой частью Вселенной (слева) ее доля, которая была картографирована (в центре), очень мала и охватывает менее 0,1 % объема. Как и в случае с Австралией в 1838 году (справа), на карту нанесена лишь полоска по периметру, а большая часть внутренней территории остается неисследованной. Окружность на среднем рисунке – это плазма (излучение, составляющее наблюдаемый нами космический микроволновый фон, поступает лишь из ее тонкого внутреннего серого края). Небольшая структура вблизи центра – крупнейшая на данный момент трехмерная карта галактик, построенная на основе данных Слоуновского цифрового обзора неба.

Если бы мы смогли нанести на карту неисследованные части Вселенной, космологию ожидал бы колоссальный прогресс. Мы бы не только тысячекратно расширили свою космологическую осведомленность, но и (далеко – значит давно) узнали бы подробности того, что происходило в первой половине нашей космической истории. Однако как это сделать? Все методы, которые мы обсуждали, продолжают впечатляющим образом развиваться, но, к сожалению, в обозримой перспективе они, видимо, не позволят картографировать большую долю неохваченного картами 99,9 % объема Вселенной. Эксперименты по картографированию космического микроволнового фона затрагивают в основном границу этого объема, поскольку внутри он большей частью прозрачен для микроволн. На таких расстояниях большинство галактик становятся настолько тусклыми, что их трудно увидеть даже в лучшие телескопы. К тому же значительная часть этого объема настолько удалена, что вовсе не содержит галактик – мы заглядываем в настолько далекое прошлое, когда большинство их еще не сформировалось!

Картографирование водорода

К счастью, существует другая технология картографирования. То, что мы считаем пустотой, в действительности не совсем пусто: межгалактическое пространство заполняет газообразный водород. Кроме того, физики давно знают, что газообразный водород испускает радиоволны длиной 21 см, которые можно регистрировать с помощью радиотелескопов. (Когда мой однокурсник Тед Банн преподавал в Беркли и коснулся этой темы, один студент задал ему вопрос: «А какая длина волны у линии длиной 21 см?») Это значит, что, хотя водород невидим для обычных телескопов, посредством радиотелескопов его, в принципе, можно «увидеть» в большей части Вселенной, в том числе задолго до того, как образовались звезды и галактики. И можно построить трехмерные карты распределения газообразного водорода, используя явление красного смещения, которое обсуждалось в гл. 2: поскольку радиоволны при расширении Вселенной растягиваются, длина регистрируемых на Земле волн указывает, с какого расстояния (а значит, из какого времени) они к нам пришли. Например, волны, которые, приходя к нам, имеют длину 210 см, были растянуты в 10 раз, а значит, испускались они, когда Вселенная была в 10 раз меньше, чем сегодня. Эту методику называют томографией на волне 21 см, и поскольку она может привести к следующему прорыву в космологии, к ней привлечено большое внимание. В гонку включились многие научные группы, которые стремятся первыми в мире надежно зарегистрировать едва уловимый сигнал водорода, находящегося на полпути до края Вселенной, однако пока никто в этом не преуспел.

Что такое телескоп?

Почему это так трудно? Потому что сигнал очень слаб. Что нужно для регистрации чрезвычайно слабых сигналов? Чрезвычайно большой телескоп. Скажем, площадью 1 км². Что нужно для постройки чрезвычайно большого телескопа? Чрезвычайно большой бюджет. Но все-таки – насколько большой? Вот тут интереснее! Стоимость традиционных радиотелескопов вроде того, что на рис. 4.8, более чем удваивается при удвоении площади, и в некоторый момент становится абсурдно высокой.

Поэтому во всех экспериментах, стремящихся осуществить томографию на волне 21 см, используется более современный тип радиотелескопов, называемых интерферометрами. Поскольку свет и радиоволны – это электромагнитные явления, они, распространяясь, создают электрическое напряжение между различными точками пространства. Это, конечно, очень низкое напряжение, во много раз слабее 1,5 В между контактами батарейки, но и его можно уловить с помощью хороших антенн и усилителей. Основная идея интерферометрии такова: с помощью массива радиоантенн измерить большое число таких напряжений и с помощью компьютера по этим данным реконструировать вид неба. Если все антенны расположены в горизонтальной плоскости, как на рис. 4.8 (на переднем плане), то волна, пришедшая прямо сверху, достигнет их одновременно. Волны, идущие под углом, достигнут некоторых антенн раньше, чем других, и компьютер использует этот факт для определения их направления. Наш мозг пользуется тем же методом при определении источника звука: если левое ухо слышит звук раньше правого, то звук, очевидно, приходит слева. Точно оценив разницу во времени, мозг может даже оценить, идет звук строго слева или под углом. Имея только два уха, вы не можете определить угол точно и справились бы с задачей гораздо лучше, будь у вас, наподобие большого радиоинтерферометра, сотни ушей по всему телу (хотя, возможно, это выглядело бы не очень хорошо). Идея интерферометра, предложенная Мартином Райлом в 1946 году, оказалась невероятно успешной и принесла ему Нобелевскую премию в 1974-м.

Рис. 4.8. Радиоастрономия с большим бюджетом (на заднем плане) и с малым (на переднем плане). Во время экспедиции в обсерваторию Гринбэнк в Западной Виргинии мой аспирант Энди Лютомирски возится с электронным оборудованием, спрятанным в палатку от дождя.

Однако главное затруднение при измерении этих различий во времени связано с тем, что вычисления приходится проводить для каждой пары антенн (или ушей), и количество таких пар растет примерно как квадрат числа антенн. Это означает, что если увеличить количество антенн в тысячу раз, стоимость компьютера подскочит в миллион раз! А вы-то хотели, чтобы астрономическим был телескоп, а не бюджет! Поэтому интерферометры до сих пор ограничивались десятками или сотнями антенн, тогда как для томографии на волне 21 см их требуется около миллиона.

Когда я перебрался в Массачусетский технологический институт, мне великодушно позволили присоединиться к американо-австралийскому эксперименту по томографии на волне 21 см, которым руководила моя коллега Джеки Хьюит. На встречах, посвященных нашему проекту, я иногда фантазировал, как бы удешевить строительство огромных телескопов. И вот однажды во время такой встречи в Гарварде у меня в голове щелкнуло: дешевый способ есть!

Омнископ

Я рассматриваю телескоп как машину по сортировке волн. Если вы посмотрите на свою руку и измерите распределение интенсивности света по ней, это ничего не скажет о том, как выглядит ваше лицо, поскольку световые волны от всех участков лица смешиваются в каждой точке кожи руки. Но если рассортировать волны света по направлениям их распространения так, чтобы волны, идущие в разных направлениях, попадали на разные места руки, вы сможете восстановить изображение своего лица. Именно это делает объектив фотоаппарата или телескопа, и глаз, и вогнутое зеркало радиотелескопа на рис. 4.8. В математике сортировку волн называют преобразованием Фурье. Телескоп, по сути, является преобразователем Фурье. И если традиционный телескоп выполняет его аналоговыми средствами, с использованием линз или кривых зеркал, то интерферометр делает это с помощью специального компьютера. Волны сортируются не только по направлениям их распространения, но и по длинам, что в случае видимого света соответствует их цвету. В Гарварде меня посетила идея: построить громадный радиотелескоп, в котором антенны располагались бы не беспорядочно, как в нынешних проектах, а по несложному шаблону. В случае телескопа с миллионом антенн числовой трюк, использующий свойства этого шаблона, позволил бы ускорить необходимые для преобразования Фурье вычисления в 25 тыс. раз. Грубо говоря, телескоп можно было удешевить в 25 тыс. раз.

Мне удалось убедить своего друга Матиаса Салдарриагу в разумности этой идеи. Мы опубликовали на эту тему две статьи, где показали, что основная идея годится для широкого набора различных шаблонов расположения антенн. Предлагаемый телескоп мы назвали омнископом, поскольку он был и всенаправленным (мог получать изображение всего неба сразу), и всеволновым, то есть работал сразу в широком диапазоне длин волн («цветов»).

Эйнштейну приписывают высказывание: «Теория и практика – теоретически одно и то же, но на практике это совсем разные вещи». Мы решили построить небольшой прототип, чтобы убедиться в его работоспособности. Я обнаружил, что базовый принцип омнископа был применен 20 годами ранее группой японских ученых (с иными целями), но электроника того времени заставила их ограничиться 64 антеннами. Благодаря революции сотовых телефонов ключевые компоненты нашего прототипа с тех пор радикально подешевели, и конструкцию стало можно сделать за копейки. Мне также очень повезло с помощниками – группой замечательных студентов Массачусетского технологического института, в том числе электроинженерного факультета, которые могли, словно по волшебству, создавать электронные печатные платы для цифровой обработки сигналов. Один из них, Невада Санчес, научил меня теории магического дыма в электронике, которую мы в дальнейшем подтвердили в ходе экспериментов в лаборатории: электронные компоненты работают, потому что содержат магический дым. Если вы случайно сделаете с ними что-то, из-за чего магический дым выйдет наружу, они перестают работать…

Всю научную карьеру я занимался в основном теорией и анализом данных. Когда я пришел к постановке эксперимента, это оказалось совершенно новым делом – и понравилось мне. Пока наш едва сформировавшийся омнископ ведет себя хорошо, но еще рано говорить, удастся ли нам или кому-либо раскрыть потенциал томографии на волне 21 см. Однако омнископ уже кое-чему научил меня – и это «кое-что» касается меня самого. Наиболее увлекательной частью процесса были экспедиции, когда мы грузили оборудование в фургон и отправлялись в какой-нибудь глухой угол, подальше от радиостанций, сотовых телефонов и других искусственных источников радиоволн. В эти дни моя жизнь, обычно раздробленная электронными письмами, лекциями, заседаниями и семейными обязанностями, сменялась благословенным саториподобным состоянием полной концентрации: никаких телефонных звонков, никакого интернета, никаких пауз, и каждый член команды на 100 % сосредоточен на общей цели. Иногда я думаю, не перебарщивает ли наша эпоха с многозадачностью в повседневной жизни, не следует ли нам исчезать подобным образом чаще, в том числе и по иным причинам. Ну, например, чтобы завершить книгу…

Почему случился Большой взрыв?

Обилие высокоточных данных превратило космологию из умозрительной дисциплины в точную науку. Теперь возраст Вселенной измерен с погрешностью 1 %. Как обычно бывает в науке, мы, отвечая на старые вопросы, наталкиваемся на новые, и я предвижу замечательное десятилетие: космологи всего мира предложат новые теории и поставят новые эксперименты, чтобы пролить свет на природу темной материи, темной энергии и т. д. В гл. 13 мы вернемся к этим поискам и вопросу о судьбе Вселенной.

Для меня самый поразительный урок точной космологии состоит в том, что с момента рождения Вселенной ею управляют простые математические законы. Уравнения, выражающие общую теорию относительности, по-видимому, точно описывают гравитационное взаимодействие на расстояниях от миллиметров до сотен триллионов триллионов (10²⁶) метров, а уравнения атомной и ядерной физики, похоже, точно описывают Вселенную, начиная с одной секунды после Большого взрыва до наших дней, то есть 14 млрд лет спустя. И делают они это не в общих чертах, как уравнения экономики, а с потрясающей точностью (рис. 4.2). Столь точная космология подчеркивает удивительную полезность математики для понимания мира. Мы вернемся к этой загадке в гл. 10 и рассмотрим ее радикальное объяснение.

Другой поразительный урок точной космологии состоит в том, что она неполна. Мы видим, что все наблюдаемое во Вселенной порождено Большим взрывом, при котором почти однородный газ, столь же горячий, как ядро Солнца, расширялся столь быстро, что удваивался в размерах менее чем за секунду. Но кто все это устроил? Я люблю размышлять над «проблемой Большого взрыва»: что сделало Большой взрыв – взрывом? Откуда появился горячий расширяющийся газ? И почему в нем были учтены эти 0,002 % – амплитуда первичных флуктуаций, которые превратились в галактики и крупномасштабную структуру, наблюдаемую в современной Вселенной? Короче, как все это началось? Экстраполяция в прошлое фридмановских уравнений расширяющейся Вселенной приводит к проблемам, а значит, для понимания наших истоков требуются совершенно новые идеи. Об этом мы и поговорим в следующей главе.

Резюме

• Новейшие данные о космическом микроволновом фоне, кластеризации галактик и т. д. превратили космологию в точную науку. Так, мы перешли от споров о том, составляет возраст Вселенной 10 или 20 млрд лет, к спорам о том, составляет он 13,7 или 13,8 млрд лет.

• Эйнштейновская теория гравитации определенно стала рекордсменом по математической красоте среди физических теорий, объяснив гравитацию как проявление геометрии. Она показывает, что чем больше массы содержится в пространстве, тем сильнее пространство искривляется. Кривизна пространства заставляет предметы двигаться не по прямым линиям, а по кривым, закручивающимся в сторону массивных объектов.

• Путем изучения геометрии треугольников размером с Вселенную теория Эйнштейна позволяет определить общее количество массы во Вселенной. Удивительно, но на атомы, которые считались составными частями всего сущего, приходится всего 4 % этой массы, а остальные 96 % остаются необъясненными.

• Недостающая масса призрачна, будучи одновременно невидимой и способной незаметно проходить сквозь нас. Ее гравитационное влияние указывает на то, что она состоит из двух обладающих противоположными свойствами субстанций: темная материя кластеризуется, а темная энергия – нет; темная материя разрежается при расширении, а темная энергия – нет; темная материя притягивает, а темная энергия отталкивает; темная материя помогает образовываться галактикам, а темная энергия – мешает.

• Точная космология открыла, что с момента рождения Вселенной ею управляют простые математические законы.

• Как ни была бы красива классическая модель Большого взрыва, она не годится для самых первых мгновений жизни Вселенной, а значит, для понимания истоков нам предстоит найти другие важные части головоломки.

«Онет! Он засыпает!» В 1997 году я делал доклад в Университете им. Тафтса. Легендарный Алан Гут специально приехал из Массачусетского технологического института, чтобы меня послушать. Я не встречался с ним прежде, и присутствие в аудитории такого светила заставляло меня гордиться и нервничать. В основном нервничать, особенно когда его голова начала клониться на грудь, а взгляд стал отсутствующим. Я постарался говорить бодрее и громче. Несколько раз он вскидывался, но вскоре я потерпел фиаско: он отправился в царство снов и не возвращался до конца доклада. Я чувствовал себя опустошенным.

Лишь много позднее, когда мы стали коллегами по Массачусетскому технологическому институту, я узнал, что он засыпает на всех докладах (кроме собственных). Сказать по правде, мой аспирант Адриан Лю говорит, что такое стало случаться и со мной. И с ним самим тоже. Но я этого никогда не замечал, поскольку мы трое отключаемся в одном и том же порядке. Если Алан, я и Адриан сидим рядом, то воспроизводим дремотную версию «волны», популярной у футбольных болельщиков.

Рис. 5.1. Андрей Линде (слева) и Алан Гут (справа) на шведском фестивале раков. Они не в курсе, что я их фотографирую и что им, двум главным архитекторам теории инфляции, придется одеться иначе для церемонии награждения престижными премиями им. Грубера и Мильнера.

Алан настолько же дружелюбен, насколько и умен. Аккуратность, правда, не относится к сильным его сторонам: когда я впервые появился у него в кабинете, то обнаружил на полу толстый слой нераспечатанной корреспонденции. Выбрав наугад конверт, я увидел штемпель десятилетней давности. В 2005 году достижения Алана в этой области были удостоены престижной премии за самый захламленный кабинет в Бостоне.

Что не так с Большим взрывом?

Но эта премия – не единственное достижение Алана. Около 1980 года он узнал от физика Боба Дикке, что во фридмановской модели Большого взрыва существуют серьезные проблемы с самыми ранними стадиями, и предложил радикальное решение, которое назвал инфляцией[16]. Экстраполяция фридмановских уравнений расширяющейся Вселенной назад во времени приводит к огромным успехам: они отлично объясняют, почему далекие галактики разбегаются от нас, и откуда взялся фон космического микроволнового излучения, и как возникли легкие элементы и многие другие наблюдаемые явления.

Вернемся в прошлое, к границе нашего знания, к тому мгновению, когда Вселенная расширялась столь быстро, что в следующую секунду ее размеры удвоились. Уравнения Фридмана говорят нам, что до того Вселенная была еще плотнее и горячее, и этому нет предела. И, в частности, примерно на 1/3 секунды ранее имело место начало, когда плотность нашей Вселенной была бесконечной и все существующее разлеталось друг от друга с бесконечной скоростью.

Вслед за Дикке Алан Гут тщательно изучил эту историю возникновения нашего мира и понял, что она страшно неестественна. Например, на четыре вопроса из числа приведенных в начале гл. 2 она дает такие ответы:

– Что стало причиной нашего Большого взрыва?

– Объяснения этому нет. Уравнения просто учитывают, что это случилось.

– Произошел ли наш Большой взрыв в одной точке?

– Нет.

– Где именно в пространстве произошел наш Большой взрыв?

– Он случился везде, сразу в бесконечном множестве точек.

– Как бесконечное пространство может быть порождено за конечное время?

– Объяснения этому нет. Уравнения просто учитывают, что пространство было бесконечным уже в момент его появления.

Можно ли сказать, что эти ответы раскрывают суть дела и элегантно снимают все вопросы о Большом взрыве? Если нет, то вы в хорошей компании! На самом деле есть еще много вещей, которые фридмановская модель Большого взрыва не может объяснить.

Проблема горизонта

Проанализируем тщательнее третий вопрос из списка. На рис. 5.2 проиллюстрирован тот факт, что температура излучения космического микроволнового фона почти одинакова (с точностью до пятой значащей цифры) во всех направлениях. Если бы Большой взрыв случился в одних областях пространства существенно раньше, чем в других, у этих областей было бы разное время для расширения и остывания и температура на наших картах космического микроволнового фона варьировалась бы от места к месту не на 0,002 %, а почти на 100 %.

Но не мог ли некий физический процесс привести к выравниванию температуры гораздо позднее Большого взрыва? В конце концов, если лить холодное молоко в горячий кофе, не удивительно, что когда вы начнете пить, они станут однородно теплыми. Проблема в том, что процесс смешивания требует времени: необходимо подождать, чтобы молекулы молока и кофе перемешались. Однако у отдаленных частей Вселенной, доступных нашим наблюдениям, не было времени для такого перемешивания (еще в 60-х годах на это обратили внимание Чарлз Мизнер и его коллеги). У областей а и б (рис. 5.2), которые мы видим в противоположных направлениях на небе, не было времени для взаимодействия: даже информация, передающаяся со скоростью света, не успела бы дойти из а в б, поскольку свет от а прошел полпути – до точки, где находимся мы. Это значит, что фридмановская модель Большого взрыва не дает объяснения одинаковой температуры в точках а и б. Получается, что у этих областей было равное время для остывания после Большого взрыва, а отсюда следует, что они независимо испытали Большой взрыв почти в одно и то же время без какой-либо общей причины.

Рис. 5.2. У молекул горячего кофе и холодного молока достаточно времени для взаимодействия и выравнивания температуры. У плазмы в областях а и б не было времени для взаимодействия: даже информация, передаваемая со скоростью света, не успела бы дойти от а до б, поскольку свет от а достиг пока лишь тех, кто пьет кофе на полпути к б. Поэтому с точки зрения фридмановской модели Большого взрыва тот факт, что плазма в областях а и б тем не менее обладает одинаковой температурой, является загадкой.

Чтобы лучше понять, какое недоумение это вызвало у Алана Гута, представьте вот что. Проверив электронную почту, вы обнаружили приглашение на ланч от приятеля, а затем увидели, что все остальные ваши приятели прислали вам по письму с приглашением на ланч и что все до единого письма отправлены одновременно. Вы, вероятно, решили бы, что имеет место сговор и что появление всех этих писем вызвано общей причиной. Возможно, друзья решили устроить вам вечеринку-сюрприз. Для завершения аналогии с загадкой Алана о Большом взрыве, где области а, б, … соответствуют вашим приятелям, добавим, что вам точно известно: ваши друзья никогда не встречались, не связывались друг с другом и не имели доступа к какой-либо общей информации до отправки вам приглашений. Тогда пришлось бы признать это невероятным совпадением. На самом деле, слишком невероятным, так что вы, вероятно, решили бы, что сделали некорректное допущение и ваши друзья все же смогли снестись. И это точно тот вывод, который сделал Алан: то, что бесконечное множество независимых областей пространства испытали Большой взрыв одновременно, не может быть беспричинным совпадением. Должен иметься некий физический механизм, вызывающий и взрыв, и синхронизацию. Один необъясненный Большой взрыв – это уже плохо; бесконечное число необъясненных Больших взрывов, вдобавок прекрасно синхронизированных, – уже ни в какие ворота не лезет.

Это проблема горизонта: она затрагивает то, что мы видим на своем космологическом горизонте – в самых отдаленных областях, доступных для наблюдения. Словно этого мало, Боб Дикке рассказал Алану о втором затруднении фридмановской теории Большого взрыва, которую он назвал проблемой плоской геометрии.

Проблема плоской геометрии

Измерения показывают, что наше пространство с высокой степенью точности плоское. Дикке считал, что это странно – если верна фридмановская модель Большого взрыва: такое состояние крайне неустойчиво, и нет оснований ожидать, что оно сохранится надолго. Например, в гл. 3 мы обсуждали неустойчивость остановившегося велосипеда, связанную с тем, что малейшее его отклонение от идеального равновесия усиливается гравитацией, так что вы сильно удивитесь, увидев ничем не поддерживаемый велосипед, который простоит вертикально несколько минут. На рис. 5.3 показаны три решения уравнений Фридмана, иллюстрирующих космологическую неустойчивость. Средняя кривая соответствует плоской Вселенной, которая остается идеально плоской и расширяется вечно. Две другие кривые начинаются почти так же, с практически неискривленного пространства через миллиардную долю секунды, и спустя миллиардную долю секунды их плотности различаются лишь в 24-й значащей цифре[17]. Но гравитация усиливает эти ничтожные различия, и в следующие 500 млн лет это заставляет Вселенную, описываемую нижней кривой, прекратить расширение и коллапсировать в Большом хлопке – Большом взрыве наоборот. В этой коллапсирующей в итоге Вселенной пространство приобретает такое искривление, что сумма углов треугольника оказывается гораздо больше 180°. Верхняя кривая, напротив, описывает Вселенную, искривленную таким образом, что углы в сумме дают меньше 180°. Она расширяется гораздо быстрее пограничной плоской Вселенной, и к настоящему времени ее газ должен был стать слишком разреженным, чтобы образовывать галактики, а соответствующий сценарий можно назвать «Большим замерзанием».

Рис. 5.3. Еще одна необъясненная загадка фридмановской модели Большого взрыва состоит в том, что Вселенная так долго существует без заметного искривления пространства, ведущего к Большому хлопку или Большому замерзанию. Эти кривые соответствуют незначительно различающимся значениям плотности в момент, когда возраст Вселенной составлял одну миллиардную секунды: изменение последней из 24 цифр приводит к переходу в режим Большого хлопка или Большого замерзания прежде, чем Вселенная достигнет 4 % своего нынешнего возраста. (Благодарю Неда Райта за идею рисунка.)

Так почему наша Вселенная плоская? Если заменить 24 цифры на рис. 5.3 случайными значениями и решить уравнение Фридмана, то вероятность получить Вселенную, которая останется плоской спустя 14 млрд лет, будет меньше, чем для дротика, брошенного с Марса, попасть точно в центр мишени на Земле. Тем не менее фридмановская модель Большого взрыва не предполагает никакого объяснения этому совпадению.

Конечно, рассудил Алан Гут, должен существовать некий механизм, который вынуждает Вселенную иметь точно такую плотность, какая требуется, чтобы обеспечить исключительно плоскую геометрию в самом начале ее истории.

Как действует инфляция

Сила удвоения

Алан догадался, что с помощью одной странно звучащей посылки можно разом решить и проблему горизонта, и проблему плоской геометрии, и объяснить многое другое. Посылка такова: в некоторый момент существовала однородная капля некоей плотной субстанции, которую было очень трудно рассеять. Это значит, что если бы 1 г такой субстанции вдвое увеличился в объеме, то его плотность (отношение массы к объему) осталась бы почти такой же, и получилось бы уже 2 г материи. Сравним это с обычным веществом, таким как воздух: если он расширяется, занимая больший объем (как при выпускании сжатого воздуха из шины), общее число молекул газа, а значит, и общая масса, остается неизменным, и плотность падает.

Согласно эйнштейновской теории гравитации, крошечная нерассеиваемая капля может испытать поразительное разрастание, которое Алан назвал инфляцией, и фактически вызвать Большой взрыв! Как показано на рис. 5.4, уравнения Эйнштейна имеют решение, в котором каждая часть капли удваивается в размерах за одинаковые отрезки времени (такой тип роста называют экспоненциальным). В этом сценарии наша едва зародившаяся Вселенная росла во многом так же, как вы сами сразу после зачатия (рис. 5.5): любая ваша клетка удваивалась примерно за сутки, за счет чего их общее число в каждый новый день составляло 1, 2, 4, 8, 16 и т. д. Повторяющееся удвоение – могучая сила, и ваша мама попала бы в трудное положение, если бы вы продолжали ежесуточно вдвое прибавлять в весе вплоть до своего рождения: через 9 месяцев (после 274 удвоений) вы весили бы больше, чем вся материя в наблюдаемой части Вселенной! Именно это происходит в описанном Аланом процессе инфляции: начавшись с капли размером много меньше и легче атома, он многократно удваивает ее размеры, пока она не становится массивнее, чем вся наблюдаемая Вселенная.

Рис. 5.4. Согласно эйнштейновской теории гравитации, нерассеиваемая субстанция (плотность которой не уменьшается при расширении) может “инфлировать”, удваиваясь в размерах через равные интервалы времени, и за доли секунды разрастается от субатомного масштаба до величины, сильно превосходящей наблюдаемую Вселенную. Так взрыв превращается в Большой взрыв. Это повторяющееся удвоение происходит во всех трех измерениях, так что удвоение в диаметре увеличивает объем в 8 раз. Здесь я изобразил только два измерения, так что удвоение диаметра учетверяет объем.

Рис. 5.5. Теория инфляции утверждает, что новорожденная Вселенная росла во многом так же, как ребенок: за фазой ускоренного роста, при которой размер удваивается через равные интервалы времени, следует более спокойная фаза замедляющегося роста. Поразительно, что вертикальная ось на обоих графиках одна и та же: в простейшей модели Вселенная прекращает инфлировать, когда примерно сравнивается в размерах с апельсином (но весит она при этом в 1081 раз больше). Наша новорожденная Вселенная удваивалась в размерах примерно в 1043 раз быстрее первых клеток зародыша.

Проблемы решены

Как видно на рис. 5.4, повторяющееся удвоение размеров автоматически приводит к повторяющемуся удвоению скорости расширения (я обозначил его стрелками). Иными словами, оно вызывает ускоряющееся расширение. Если бы вы прибавляли в весе ежедневно до своего рождения, то сначала вы расширялись бы довольно медленно (всего на несколько поперечников клетки в сутки). А ближе к концу периода созревания, превзойдя по массе наблюдаемую Вселенную и продолжая ежедневно удваиваться, вы расширялись бы с умопомрачительный скоростью – много миллиардов световых лет в день. Но если вы удваивали свою массу раз в сутки, то инфлирующая новорожденная Вселенная удваивала свою массу куда быстрее. В некоторых из самых популярных версий теории инфляции масса удваивается примерно каждую десятитриллионную от триллионной от квадриллионной (10^–38) доли секунды, и требуется около 260 удвоений, чтобы породить массу наблюдаемой Вселенной. Это значит, что процесс инфляции от начала до конца по человеческим меркам был почти мгновенным и потребовал не более 10^–35 секунды (это меньше, чем требуется свету, чтобы пройти миллионную часть поперечника протона). То есть экспоненциальное расширение начинается с чего-то крошечного, почти неподвижного, и превращает его в чудовищный взрыв. Благодаря этому инфляция решает «проблему взрыва», объясняя, чем вызван наш Большой взрыв – процессом повторяющегося удвоения. Она также объясняет, почему расширение однородно, как установил Эдвин Хаббл: области, которые отстоят вдвое дальше друг от друга, разлетаются вдвое быстрее (рис. 5.4).

На рис. 5.5 показано, что экспоненциальное расширение вашего тела в конце концов сменилось более медленным ростом. Новорожденная Вселенная также прекратила инфлировать. Инфлирующий материал распался на обычную материю, которая продолжила расширяться в более спокойном режиме, двигаясь по инерции со скоростью, которую она приобрела на взрывной инфляционный стадии, и постепенно замедляясь гравитацией.

Алан Гут понял, что инфляция также решает проблему горизонта. Удаленные области а и б на рис. 5.2 были чрезвычайно близки на ранних стадиях инфляции, у них было время для взаимодействия. Затем взрывное инфляционное расширение развело а и б, и только теперь они вновь начинают вступать в контакт. Клетки носа содержат те же ДНК, что и клетки пальцев ног, поскольку у них общий предок: и те, и другие возникли в результате последовательного удвоения первой вашей клетки. Аналогично далекие области космического пространства обладают сходными свойствами, поскольку имеют общее происхождение: они рождены последовательным удвоением одной и той же капли инфлирующей материи.

Но Алан Гут понял также, что инфляция решает также проблему плоской геометрии. Представьте, что вы муравей на сфере (рис. 2.7) и способны видеть лишь небольшую область искривленной поверхности, на которой живете. Если инфляция внезапно увеличит сферу в огромное число раз, эта небольшая доступная вашему наблюдению область станет выглядеть гораздо более плоской. Квадратный сантиметр поверхности шарика для пинг-понга заметно искривлен, тогда как квадратный сантиметр поверхности Земли почти идеально плоский. Аналогично, когда инфляция колоссально расширяет наше собственное трехмерное пространство, оно становится почти идеально плоским в пределах любого конкретного кубического сантиметра. Алан доказал, что если продолжительность инфляции достаточна для порождения наблюдаемой Вселенной, она сделает пространство настолько плоским, что оно продержится до наших дней без Большого хлопка и Большого замерзания.

Конец ознакомительного фрагмента.