Текст книги "Вселенная из ничего: почему не нужен Бог, чтобы из пустоты создать Вселенную"

Эйнштейн был бы удивлен, если бы узнал, что его «статейка» в конечном итоге оказалась совсем не пустой. Благодаря поразительным новым инструментам для наблюдений и экспериментов, открывшим новые окна в космос, благодаря новым теоретическим разработкам, которые привели бы Эйнштейна в восторг, и благодаря открытию темного вещества, которое бы сильно его взволновало, крошечный шажок Эйнштейна в мир искривленного пространства обернулся колоссальным скачком. К началу девяностых годов прошлого века священный Грааль космологии, похоже, удалось обрести. Наблюдения однозначно показали, что мы живем в открытой Вселенной, которая, следовательно, расширяется и будет расширяться вечно.

Но так ли однозначно?..

Глава 3. Свет из начала времен

И это было начало, и сейчас начало, и всегда будет начало.

Глория Патри

Если вдуматься, то сама идея определять общую кривизну Вселенной посредством измерения общей массы, которая в ней содержится, и решать обратную задачу с помощью уравнений общей теории относительности чревата серьезными трудностями. Неизбежно приходит в голову вопрос: не прячется ли где-нибудь вещество так, что нам его не найти? Например, мы можем догадываться о существовании невидимого вещества в видимых системах вроде галактик и их скоплений на основании их гравитационной динамики. А вдруг значительная масса умудряется спрятаться от нас вне галактик и скоплений и мы ее не замечаем? Лучше было бы каким-то образом измерить геометрию всей видимой Вселенной прямо и непосредственно.

Но как измерить трехмерную геометрию всей видимой Вселенной? Можно начать и с более простого вопроса: как определить, что какой-то двумерный объект вроде поверхности Земли изогнут, если не можешь обойти всю Землю или подняться над ней на спутнике и посмотреть вниз?

Сначала можно спросить у какого-нибудь старшеклассника, какова сумма углов треугольника (только школу надо выбрать поприличнее). Вам скажут, что эта сумма составляет 180 градусов, поскольку школьник, конечно, изучал евклидову геометрию, ту, которая ассоциируется с плоскими тетрадными страничками. На искривленной двумерной поверхности вроде шара можно начертить треугольник, сумма углов которого будет гораздо больше 180 градусов. Например, представьте, что вы рисуете линию вдоль экватора, затем проводите перпендикуляр к ней, доходите до Северного полюса, а затем снова строите прямой угол и опускаете перпендикуляр к экватору, как на рисунке внизу. Три угла по 90 градусов – это 270 градусов, гораздо больше ста восьмидесяти. Вуаля!

Оказывается, этот простой эксперимент с двумерным изображением можно прямо и непосредственно обобщить на три измерения, поскольку математики, первыми предложившие неплоские или так называемые неевклидовы геометрии, обнаружили, что такие же возможности сулят нам и трехмерные пространства. Более того, самый знаменитый математик XIX века Карл Фридрих Гаусс так увлекся идеей, что наша Вселенная, возможно, искривлена, что на основании данных геодезических карт 20–30 годов XIX века измерил огромные треугольники между немецкими горными вершинами Хоер Хаген, Инзельберг и Брокен в надежде обнаружить кривизну пространства как такового. Однако горы, разумеется, и сами по себе расположены на искривленной поверхности Земли, а значит, кривизна двумерной поверхности Земли влияет на любые попытки измерить кривизну фонового трехмерного пространства, в котором находится Земля, и Гаусс, конечно, должен был это учитывать. Думаю, он собирался вычесть из конечного результата все эти погрешности и разобраться, в какой степени оставшаяся кривизна соответствует кривизне трехмерного пространства.

Первым, кто попытался точно измерить кривизну пространства, был никому тогда не известный русский математик Николай Иванович Лобачевский, живший в далекой Казани. Лобачевский, в отличие от Гаусса, был одним из двух математиков, у кого хватило храбрости обнародовать свои представления о возможности так называемых гиперболических геометрий, в которых параллельные прямые могут расходиться. Примечательно, что Лобачевский опубликовал свою работу о гиперболической геометрии (мы теперь называем ее «отрицательно искривленной» или «открытой» Вселенной) еще в 1830 году.

Вскоре после этого Лобачевский рассмотрел вопрос о том, может ли наша трехмерная Вселенная быть гиперболической, и предположил, что можно «для экспериментального решения этого вопроса исследовать звездный треугольник». Он предложил провести наблюдения яркой звезды Сириус в те моменты, когда Земля находится в противоположных точках на орбите вокруг Солнца, с промежутком в шесть месяцев. Из этих наблюдений Лобачевский сделал вывод, что кривизна нашей Вселенной должна быть как минимум в 166 000 раз больше радиуса земной орбиты. Казалось бы, большое число, но по космическим масштабам оно прямо-таки скромное.

Идея у Лобачевского была правильная, просто ему, к несчастью, помешало несовершенство тогдашней техники. Однако сто пятьдесят лет спустя положение заметно улучшилось благодаря важнейшим наблюдениям за всю историю космологии – исследованиям космического фонового микроволнового излучения.

Космическое фоновое излучение – это не что иное, как последствия Большого взрыва. Это очередное прямое доказательство, что Большой взрыв действительно был (если такие доказательства кому-то еще нужны), поскольку позволяет непосредственно заглянуть в прошлое и определить, какова была природа очень юной раскаленной Вселенной, из которой впоследствии возникло все, что мы наблюдаем сегодня.

В числе прочих поразительных свойств космического фонового микроволнового излучения – то, что открыли его не где-нибудь, а в Нью-Джерси двое ученых, не имевших ни малейшего представления, что они, собственно, наблюдают. Другое дело, что мы десятки лет не замечали его, хотя оно было у нас прямо под носом и его вполне можно было зарегистрировать. Вероятно, даже вы еще видели своими глазами, как оно действует, если застали эпоху до кабельного телевидения, когда каналы прекращали вещание сильно за полночь и по ночам не гоняли рекламные передачи. Если помните, тогда после прекращения вещания сначала показывали телевизионную настроечную таблицу, а потом на экране появлялся статический сигнал. Примерно 1 процент от этого статического сигнала на экране телевизора был вызван микроволновым излучением, оставшимся от Большого взрыва.

Происхождение космического микроволнового излучения более или менее очевидно. Поскольку возраст Вселенной конечен (напомню – ей 13,72 миллиарда лет), и чем больше расстояние до объекта, который мы рассматриваем, тем дальше в прошлое мы заглядываем (поскольку свету требуется больше времени, чтобы дойти от этих объектов до нас), то можно представить себе, что, если заглянуть достаточно далеко, мы увидим Большой взрыв как таковой. В принципе, в этом нет ничего невозможного, но на практике между нами и началом времен стоит непроницаемая стена. Не физическая, вроде стен комнаты, где я пишу эти строки, но последствия, в сущности, те же.

Заглянуть за стены моей комнаты я не могу, потому что они непрозрачные. Они поглощают свет. Так вот, если я загляну в небо – все дальше и дальше в прошлое – то я увижу Вселенную, которая будет чем дальше, тем моложе и жарче, потому что с момента Большого взрыва она только и делает, что остывает. Если я загляну достаточно далеко в прошлое, во времена, когда Вселенной было около 300 000 лет, то увижу, что температура Вселенной составляла тогда около 3000 градусов. При такой температуре фоновое излучение настолько энергично, что способно разбивать преобладающие во Вселенной атомы – атомы водорода – на отдельные составляющие, протоны и электроны. До этого времени нейтрального вещества не существовало. Обычное вещество во Вселенной, состоящее из атомных ядер и электронов, представляло собой тогда плотную «плазму» из заряженных частиц, взаимодействовавших с излучением. А плазма может быть непроницаемой для излучения. Заряженные частицы в плазме поглощают фотоны и испускают их заново, и излучение не способно пройти через подобный материал беспрепятственно. В результате, если я пытаюсь заглянуть в прошлое, то не вижу ничего дальше того времени, когда вещество во Вселенной состояло в основном из такой плазмы.

Это опять же очень похоже на стены моей комнаты. Я вижу их только потому, что электроны в атомах на поверхности стены поглощают фотоны из света в моем кабинете, а потом испускают их заново, а воздух между мной и стеной прозрачен, поэтому я вижу все до самой поверхности стены, которая испускает свет. Так и во Вселенной. Когда я заглядываю в нее, то вижу все до самой «поверхности последнего рассеяния» – границы, на которой Вселенная становится нейтральной, где протоны соединяются с электронами и возникают нейтральные атомы водорода. Ближе этой границы Вселенная в основном проницаема для излучения, и я вижу излучение, которое поглощается и испускается электронами, с тех пор как вещество во Вселенной стало нейтральным.

Именно поэтому картина Вселенной, где произошел Большой взрыв, предполагает, что от этой «поверхности последнего рассеяния» в мою сторону должно отовсюду идти излучение. Поскольку Вселенная с тех пор расширилась примерно в 1000 раз, излучение по дороге к нам остыло и теперь его температура составляет около 3 градусов выше абсолютного нуля. Именно этот сигнал и поймали двое ничего не подозревавших ученых в Нью-Джерси в 1965 году и впоследствии получили за это открытие Нобелевскую премию. Более того, недавно за исследование фонового микроволнового космического излучения присудили еще одну Нобелевскую премию – и вполне заслуженно. Если бы мы могли сфотографировать «поверхность последнего рассеяния», у нас получилась бы картина новорожденной Вселенной, возраст которой составляет всего-то 300 000 лет. Мы бы увидели все структуры, которым предстояло в один прекрасный день схлопнуться в галактики, звезды, планеты, инопланетян и все прочее. А главное – эти структуры не были бы затронуты последовавшей динамической эволюцией, способной скрыть первоначальную природу и происхождение крошечных первичных возмущений вещества и энергии, которые, как предполагают, возникали в результате экзотических процессов в первые мгновения Большого взрыва.

Однако для наших целей важно другое: на этой поверхности будет характерный масштаб, отпечаток не чего иного, как самого времени. Вот как это проще себе представить: если рассматривать примерно 1 угловой градус поверхности последнего рассеяния с точки зрения наблюдателя на Земле, это будет соответствовать расстоянию на этой поверхности примерно в 300 000 световых лет. Далее, поскольку поверхность последнего рассеяния – это положение дел в тот момент, когда Вселенной было около 300 000 лет, а Эйнштейн учит нас, что информация не может перемещаться быстрее света в вакууме, следовательно, в то время никакой сигнал не мог переместиться по этой поверхности дальше, чем на расстояние в 300 000 световых лет.

Теперь рассмотрим сгусток вещества размером меньше 300 000 световых лет. Этот сгусток начинает схлопываться под воздействием собственной гравитации. Однако сгусток размером больше 300 000 световых лет даже не начнет схлопываться, потому что еще не «знает», что он сгусток. Гравитация сама по себе распространяется со скоростью света, поэтому не успевает пересечь этот сгусток целиком. То есть этот сгусток, совсем как герои мультика про Хитрого койота и Дорожного бегуна, когда они сбегают с утеса и зависают в воздухе над обрывом, сидит и ждет, когда Вселенная станет старше, и только тогда он поймет, что ему можно схлопываться!

Все это время речь у нас шла об особого рода треугольнике со стороной в 300 000 световых лет – это известное расстояние от нас до поверхности последнего рассеяния, как показано на рисунке.

Самые большие сгустки материи, которые уже начали схлопываться, греться и при этом вызывать всевозможные отклонения в общей картине микроволнового фонового излучения, будут иметь угловые размеры не более некоторого максимального угла для заданного возраста Вселенной. Можно ожидать, что на изображении поверхности последнего рассеяния подобные «горячие пятна» будут самыми крупными сгустками.

Однако то, будет ли максимальный угол на таком расстоянии составлять ровно один градус, на самом деле определяется геометрией Вселенной. В плоской Вселенной световые лучи описывают прямые линии. В открытой Вселенной световые лучи, когда прослеживаешь их обратно во времени, изгибаются наружу. А в замкнутой – сходятся и пересекаются. То есть какой на самом деле угол получится, если построить треугольник со стороной в 300 000 световых лет (напомню, что именно таково расстояние до поверхности последнего рассеяния), зависит от геометрии Вселенной – это видно из рисунка.

Это дает нам возможность прямо и непосредственно определить геометрию Вселенной. Поскольку размер самых больших горячих и холодных пятен на общей картине фонового микроволнового излучения зависит только от принципа причинности – от того, что гравитация распространяется только со скоростью света, а следовательно, размеры самой большой области, которая могла в то время схлопнуться, зависят только от того, на какое максимальное расстояние мог распространиться луч света в то время, – и поскольку угол, который мы видим как расходящийся на определенное расстояние от нас, определяется исключительно кривизной Вселенной, то простая картина поверхности последнего рассеяния и покажет нам, какова крупномасштабная геометрия пространства-времени.

Первый эксперимент, в ходе которого попытались проделать подобное наблюдение, был проведен в Антарктиде в 1997 году и назывался BOOMERanG – сокращение от «Balloon Observations of Millimetric Extragalactic Radiation and Geophysics» («Аэростат для наблюдения миллиметрового внегалактического излучения и геофизических исследований»), но на самом деле повод для выбора такого названия был гораздо проще. К высотному аэростату прикрепили микроволновый радиометр, как на фото внизу.

Затем аэростат облетел вокруг света – в Антарктике это несложно: на самом Южном полюсе для этого достаточно было бы обернуться вокруг своей оси, а на широте станции Мак-Мердо тур вокруг континента при попутном полярном ветре занял около двух недель, после чего установка вернулась в исходную точку – потому-то ее и назвали «бумеранг».

Путь установки BOOMERanG вокруг Антарктиды.

Цель этого путешествия была проста. Если мы хотим пронаблюдать фоновое микроволновое излучение при температуре в 3 градуса по Кельвину, не загрязненное тепловым излучением от куда более теплого вещества Земли (даже в Антарктиде температура все равно на двести градусов выше температуры космического микроволнового излучения), придется как можно выше подняться над поверхностью Земли и даже подняться над нижними слоями атмосферы. В идеале для этого применяют спутники, но высотные аэростаты справляются с задачей почти так же хорошо, а обходятся несравнимо дешевле.

Итак, через две недели BOOMERanG предоставил изображение небольшого участка микроволнового неба, где были видны горячие и холодные участки паттерна излучения от поверхности последнего рассеяния. Внизу приведен коллаж из изображения участка неба, который наблюдался в ходе эксперимента BOOMERanG (горячие и холодные области выглядят, соответственно, как темные и светлые пятна) и обычной фотографии самой экспериментальной установки.

Для наших целей из этого изображения можно сделать два вывода. Во-первых, оно наглядно показывает, каков был реальный физический масштаб горячих и холодных участков в небе, которые увидел BOOMERanG. Но еще оно иллюстрирует другое важное обстоятельство – нашу так называемую космическую близорукость. Если в солнечный день взглянуть в небо, увидишь ясное голубое небо, как на первой фотографии с аэростатом. Но это только потому, что мы в результате эволюции различаем только видимый свет. Мы пошли именно таким эволюционным путем, несомненно, и потому, что с поверхности нашего Солнца до нас доходит больше всего излучения именно в видимом диапазоне, и потому, что излучения во многих других диапазонах поглощаются нашей атмосферой и попросту не доходят до земной поверхности (к счастью для нас, поскольку такое излучение зачастую смертоносно). Так или иначе, если бы мы в результате эволюции «видели» микроволновое излучение, то изображение неба, которое мы видели бы днем и ночью – если не смотреть прямо на Солнце, – было бы прямо и непосредственно изображением поверхности последнего рассеяния, от которой до нас более 13 миллиардов световых лет. Именно это изображение и показал нам детектор установки BOOMERanG.

Первый полет аэростата BOOMERanG, в результате которого была получена эта картинка, оказался на удивление удачным. Однако природа Антарктики негостеприимна и непредсказуема. В 2003 году все экспериментальное оборудование едва не было утрачено: сначала аэростат оказался неисправен, потом разыгралась буря. Установку спасло только то, что ее успели мгновенно отсоединить от аэростата, который тут же унесло в неизвестном направлении, после чего спасательная экспедиция разыскала установку на антарктической равнине и забрала герметичный контейнер с научными данными.

Прежде чем приступить к интерпретации изображения с зонда BOOMERanG, еще раз подчеркну, что реальные физические размеры горячих и холодных пятен, наблюдаемых в этом эксперименте, однозначно определяются простыми расчетами свойств поверхности последнего рассеяния, а измеренные размеры горячих и холодных пятен на изображении определяются геометрией Вселенной. Объяснить эксперимент поможет простая двумерная аналогия: в двух измерениях замкнутая геометрия напоминает поверхность сферы, а открытая геометрия – поверхность седла. Если мы начертим на таких поверхностях треугольник, то пронаблюдаем тот самый эффект, который я описал выше: на сфере параллельные прямые сойдутся, на седле – разойдутся, а на плоскости, само собой, останутся параллельными прямыми.

А теперь вопрос на миллион долларов: какой же размер в действительности имеют холодные и горячие пятна на изображении с зонда BOOMERanG? Чтобы дать ответ на этот вопрос, рабочая группа эксперимента BOOMERanG разработала несколько компьютерных моделей холодных и горячих пятен – определила, как выглядели бы изображения, полученные BOOMERanG, в случае замкнутой, плоской и открытой Вселенной, – и сравнила модельные изображения с реальным изображением микроволнового неба (цвета на приведенных здесь изображениях показывают интенсивность микроволнового излучения).

Рассмотрим изображение внизу слева – это модель замкнутой Вселенной: видно, что в среднем пятна больше, чем в реальной Вселенной. Справа пятна в среднем меньше. А вот картинка посередине, соответствующая плоской Вселенной, – прямо как кроватка Мишутки из сказки про трех медведей: как раз впору. Похоже, это наблюдение доказывает, что верна самая математически красивая модель Вселенной, на которую и рассчитывали теоретики, хотя она явно противоречит оценке массы галактических скоплений.

В сущности, предсказания модели плоской Вселенной и изображение, полученное зондом BOOMERanG, совпадают так точно, что становится прямо неловко. Изучив пятна и выявив самые крупные, у которых хватило времени в значительной мере схлопнуться к тому моменту, который соответствует поверхности последнего рассеяния, рабочая группа эксперимента BOOMERanG построила следующий график.

Данные – это точки. Сплошная линия дает предсказание для плоской Вселенной – и пик приходится примерно на 1 градус!

После того, как рабочая группа эксперимента BOOMERanG опубликовала свои результаты, НАСА запустило гораздо более чувствительный спутниковый зонд для изучения фонового излучения – «Уилкинсоновская микроволновая проба анизотропии» (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, WMAP). Этот зонд, названный в честь покойного физика из Принстона Дэвида Уилкинсона, который наверняка открыл бы космическое микроволновое излучение, если бы его не опередили ученые из Лабораторий Белла. WMAP запустили в июне 2001 года на расстояние в полтора миллиона километров от Земли, по ту сторону Солнца, откуда можно наблюдать микроволновое небо, не искаженное солнечным излучением. За семь лет зонд с беспрецедентной точностью заснял все микроволновое небо, а не просто отдельный участок, как BOOMERanG, поскольку аэростату BOOMERanG пришлось мириться с тем, что Земля закрывала от него большую часть неба.

Здесь все небо спроецировано на плоскость – как поверхность земного шара можно спроецировать на плоскую карту. Плоскость нашей Галактики лежит на экваторе, Северный полюс на этой карте – это 90 градусов над плоскостью, а Южный полюс – 90 градусов под плоскостью. Однако изображение галактики с карты убрано, чтобы отражать исключительно излучение, исходящее от поверхности последнего рассеяния.

Получив такие чистые данные, можно сделать гораздо более точную оценку геометрии Вселенной. Изображения, полученные зондом WMAP, аналогичные тем, которые сделал аэростат BOOMERanG, с точностью до 1 процента подтверждают, что мы живем в плоской Вселенной! Ожидания теоретиков оправдались. Однако мы в очередной раз не можем пренебречь очевидным несоответствием этого результата тому, о чем я писал в предыдущей главе. Если взвесить Вселенную, измерив массу галактик и скоплений, получится число в три раза меньше количества, которое нужно, чтобы получилась плоская Вселенная. Это несоответствие надо чем-то компенсировать.

Пока теоретики хлопали друг дружку по спине и поздравляли с верной догадкой о том, что Вселенная плоская, Вселенная подготовила фантастический сюрприз, позволяющий разобраться с противоречиями в оценках ее геометрии, сделанных по измеренным массам, и непосредственно измеренной кривизной. Как выяснилось, недостающая энергия, необходимая для плоской Вселенной, прячется буквально у нас под носом.