Текст книги "Всё из ничего"

Но показали ли?

Глава 3
Свет из начала времен

…и ныне, и присно, и во веки веков.

КРАТКОЕ СЛАВОСЛОВИЕ

Если вдуматься, то сама идея определять общую кривизну Вселенной посредством измерения общей массы, которая в ней содержится, и решать обратную задачу с помощью уравнений ОТО 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 наблюдаемых системах вроде галактик и их скоплений на основании гравитационной динамики. А вдруг значительная масса умудряется спрятаться от нас где-то еще, вне галактик и скоплений, и мы ее не замечаем? Лучше было бы непосредственно измерить геометрию непосредственно всей видимой Вселенной.

Но как измерить трехмерную геометрию всей видимой Вселенной? Можно начать 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 космическом корабле и посмотреть вниз?

Сначала можно спросить у какого-нибудь старшеклассника, какова сумма углов треугольника (только школу надо выбрать поприличнее, и лучше не американскую). Вам скажут, что эта сумма составляет 180°, 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°. 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° – это 270°, гораздо больше 180°. Вуаля!

Оказывается, это простое двумерное рассуждение можно непосредственно и безупречно 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 в. – Карл Фридрих Гаусс – так увлекся идеей, что наша Вселенная искривлена, что на основании данных геодезических съемок для карт 1820-х и 1830-х гг. измерил огромные треугольники между немецкими горными вершинами Хоэр-Хаген, Инзельберг и Брокен в надежде обнаружить кривизну пространства. Разумеется, эти горы и сами по себе расположены на искривленной поверхности Земли, а значит, кривизна двумерной поверхности влияет на любые попытки измерить кривизну пространства, в котором находится Земля, и Гаусс, конечно, должен был это учитывать. Думаю, он собирался вычесть из конечного результата соответствующие слагаемые и проверить, останется ли какая-то кривизна, которую можно отнести к кривизне окружающего 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 еще в 1830 г. опубликовал свою работу о гиперболической геометрии (что на сегодняшнем языке именуется отрицательно искривленным пространством, или открытой Вселенной).

Вскоре после этого Лобачевский рассмотрел вопрос о том, может ли наша трехмерная Вселенная быть гиперболической, и предложил «исследовать звездный треугольник для экспериментального разрешения этого вопроса». Он предложил провести наблюдения яркой звезды Сириус в те моменты, когда Земля находится в противоположных точках на орбите вокруг Солнца, то есть с промежутком в 6 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 весьма скромное[14]14
  Это утверждение сложным образом завязано на проводившиеся в 1830-е гг. пионерские измерения расстояний до звезд по параллаксам – угловому смещению светила на небе при перемещении Земли на радиус ее орбиты. Кевин Браун в книге «Размышления о теории относительности» (Reflections on Relativity) так уточняет суть предположения Лобачевского: если Вселенная действительно искривлена, то параллакс сколь угодно далекой звезды не может быть меньше определенной величины и каждый реально измеренный параллакс накладывает ограничения на эту величину. Лобачевский в серии статей «О началах геометрии» (1829–1830) использовал величину параллакса Сириуса, равную 1,24’’, из работы д’Асса де Мондардье, откуда и получил минимальную характеристическую длину k своей модели в 166 000 а.е., или 2,6 светового года. Однако в действительности параллакс Сириуса составляет лишь 0.375’’, что соответствует расстоянию в 8,7 св. года, причем первые реальные его оценки были сделаны в самом конце 1830-х гг. (0.15’’ по данным Хендерсона и Бесселя и 0.27’’ по измерениям Аббе), а 1,24’’ – это собственное движение Сириуса по склонению. Из этой ошибочной величины Лобачевский также вывел сумму углов треугольника, вершинами которого служили Земля, Солнце и Сириус, и она оказалась меньше 180° на 0’’,000372. – Прим. науч. ред.


[Закрыть].

Идея Лобачевского была правильная, просто ему, к несчастью, помешало несовершенство тогдашней техники. Однако 150 лет спустя положение заметно улучшилось благодаря важнейшим наблюдениям за всю историю космологии – исследованиям космического микроволнового (реликтового) излучения.

Реликтовое излучение – не что иное, как послесвечение 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 горячей Вселенной, из которой впоследствии возникло все, что мы наблюдаем сегодня.

В числе прочих поразительных свойств реликтового излучения – то, что открыли его не где-нибудь, а в Нью-Джерси и сделали это двое ученых, не имевших ни малейшего представления о том, чтó они, собственно, наблюдают. Другое дело, что мы десятки лет его не замечали, хотя оно было у нас прямо под носом и его вполне можно было зарегистрировать. Вероятно, даже вы видели своими глазами его влияние, если не слишком молоды и застали эпоху эфирного телевидения, когда каналы прекращали вещание за полночь и по ночам не гоняли рекламу. Если помните, после прекращения вещания показывали телевизионную настроечную таблицу, а потом экран демонстрировал шумы. Примерно 1 % этих шумов был вызван реликтовым излучением, оставшимся от Большого взрыва.

Происхождение реликтового излучения более или менее очевидно. Поскольку возраст Вселенной конечен (напомню, ей 13,72 млрд лет) и чем больше расстояние до объекта, который мы рассматриваем, тем дальше в прошлое мы заглядываем (так как свету потребовалось больше времени, чтобы дойти от этих объектов до нас), то можно представить себе, что, если заглянуть достаточно далеко, мы увидим собственно Большой взрыв. 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 в целом столь же эффективная.

Видеть сквозь стены моей комнаты я не могу, потому что они непрозрачные. Они поглощают свет. Так вот, если я буду смотреть 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 ее температура составляла тогда около 3000 градусов по шкале Кельвина. При такой температуре фоновое излучение было настолько энергичным, что могло 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, в ту пору представляло собой плотную плазму из заряженных частиц, взаимодействовавших с излучением.

Плазма же может быть непроницаемой для излучения. Заряженные частицы в плазме поглощают фотоны и испускают их заново, и излучение не способно беспрепятственно пройти через подобный материал. В результате, когда я пытаюсь заглянуть в прошлое, то не вижу ничего дальше того времени, когда вещество во Вселенной состояло в основном из такой плазмы.

Это очень похоже на стены моей комнаты. Я вижу их только потому, что электроны в атомах на поверхности стены поглощают фотоны света в моем кабинете, а потом излучают их заново, а воздух между мной и стеной прозрачен, поэтому я вижу все до самой поверхности стены, которая отражает свет. Так и во Вселенной. Когда я заглядываю в нее, то вижу все до этой «поверхности последнего рассеяния» – границы, на которой Вселенная становится нейтральной: 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 пути к нам остыло, и теперь его температура всего на 3° выше абсолютного нуля. Именно этот сигнал и обнаружили двое ничего не подозревавших ученых из Нью-Джерси в 1965 г. и впоследствии получили за это открытие Нобелевскую премию.

Более того, недавно за исследование реликтового 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 сколлапсировать 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: эта поверхность будет иметь характерный масштаб, наложенный самим временем. Вот как это проще себе представить: если взять на поверхности последнего рассеяния участок размером около 1°, это будет соответствовать расстоянию на этой поверхности примерно в 300 000 световых лет. Далее, поскольку поверхность последнего рассеяния отражает ситуацию 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 коллапсировать под воздействием собственной гравитации. Однако сгусток размером больше 300 000 световых лет даже не начнет этого делать, потому что он еще не «знает», что является сгустком. Гравитация сама по себе распространяется со скоростью света, поэтому не успевает пересечь сгусток целиком. То есть этот сгусток, совсем как герои американского 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 пора схлопываться!

Рассмотрим этот особый треугольник, одна из сторон которого равна 300 000 световым годам и удалена от нас на известное расстояние – расстояние до поверхности последнего рассеяния, как показано на рисунке.

Самые большие сгустки материи, которые уже начали схлопываться, создавая нарушения в общей картине реликтового излучения, будут иметь как раз такие угловые размеры. Если мы сможем получить изображение этой поверхности, какой она была в то время, можно ожидать, что «горячие пятна» в среднем будут как раз самыми крупными сгустками, видимыми на нем.

Однако будет ли максимальный угол, под которым видна эта дистанция, составлять ровно 1°, 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. Таким образом, то, под каким углом мы увидим линейку длиной 300 000 световых лет, расположенную на расстоянии, связанном с поверхностью последнего рассеяния, зависит от геометрии Вселенной – это видно из рисунка.

Таким образом, мы получаем прямой и надежный способ определить геометрию Вселенной. Поскольку размер самых больших горячих и холодных пятен на общей картине реликтового излучения зависит лишь от принципа причинности – от того, что гравитация распространяется только со скоростью света, и, следовательно, размеры самой большой области, которая могла в то время сколлапсировать, зависят только от того, на какое максимальное расстояние мог распространиться луч света в то время, – и поскольку угол, под которым мы видим линейку фиксированной длины, 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 на аэростате в Антарктиде в 1997 г. и назывался BOOMERanG[15]15
  BOOMERanG расшифровывается как Balloon Observations of Millimetric Extragalactic Radiation and Geophysics, «Аэростатные наблюдения миллиметрового внегалактического излучения и геофизика». – Прим. ред.


[Закрыть]. Повод для выбора такого названия был очевиден: к высотному аэростату прикрепили микроволновой радиометр, как можно увидеть на фото.

Затем аэростат облетел вокруг света, что в Антарктике проделать несложно. На самом Южном полюсе для этого достаточно было бы обернуться вокруг своей оси, а на широте станции Мак-Мёрдо тур вокруг континента при попутном полярном ветре занял около двух недель, после чего аппарат вернулся в исходную точку – потому-то его и назвали «бумеранг».

Цель этого путешествия была проста. Если мы хотим пронаблюдать реликтовое излучение при температуре в 3º K, не загрязненное тепловым излучением от куда более теплого вещества Земли (даже в Антарктиде температура все равно на 200º K выше температуры реликтового излучения), придется как можно выше подняться над поверхностью Земли, оставив позади большую часть 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 «реликтового неба», где были видны горячие и холодные пятна рисунка излучения, приходящего 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 фотографии самой экспериментальной установки.

Из этого изображения можно сделать два вывода. Во-первых, оно наглядно показывает, каков был реальный физический масштаб горячих и холодных пятен в небе, которые увидел BOOMERanG, причем передний план дается для сравнения. Но еще оно иллюстрирует другое важное обстоятельство – то, что можно назвать нашей космической близорукостью. Если в солнечный день взглянуть в небо, увидишь ясное голубое небо, как на первой фотографии с аэростатом. Но это только потому, что в результате эволюции мы различаем только видимый свет. Несомненно, мы пошли именно таким эволюционным путем потому, что излучение поверхности нашего Солнца имеет максимум именно в видимом диапазоне, а еще потому, что излучение во многих других диапазонах поглощается нашей атмосферой и попросту не доходит до земной поверхности (к счастью для нас, поскольку подобное излучение по большей части смертоносно). Так или иначе если бы в результате эволюции мы видели микроволновое излучение, то вид неба и днем и ночью – если не смотреть прямо на Солнце – непосредственно являл бы поверхность последнего рассеяния, от которой до нас более 13 млрд 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 другом запуске в 2003 г. все экспериментальное оборудование едва не было утрачено: сначала аэростат оказался неисправен, потом разыгралась буря. Положение спасло лишь решение, принятое в последний момент: отделить аппаратуру от аэростата, который тут же унесло в неизвестном направлении. Спасательная партия разыскала установку в антарктической пустыне 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 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 прямые сойдутся, на седле – разойдутся, а на плоскости, само собой, останутся 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 подготовила на компьютере несколько модельных изображений холодных и горячих пятен, какими они должны были выглядеть в случае замкнутой, плоской и открытой Вселенной, и сравнила их с реальным изображением микроволнового неба (цвета на приведенных здесь изображениях показывают интенсивность реликтового 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, сделанной на основании массы галактических скоплений.

В сущности, модель 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 сколлапсировать к тому моменту, который соответствует поверхности последнего рассеяния, рабочая группа эксперимента BOOMERanG построила следующий график.

Точки – это данные. Сплошная линия дает предсказание для плоской Вселенной – и пик приходится примерно на 1°!

Уже после того, как рабочая группа эксперимента BOOMERanG опубликовала свои результаты, NASA запустило спутник с гораздо более чувствительным детектором для изучения реликтового излучения под названием WMAP[16]16
  WMAP – Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, «Зонд микроволновой анизотропии имени Уилкинсона». – Прим. ред.


[Закрыть]. Этот зонд был назван в честь покойного физика из Принстона Дэвида Уилкинсона, который наверняка открыл бы реликтовое излучение, если бы его не опередили ученые из Bell Laboratories. WMAP запустили в июне 2001 г. на расстояние в 1,5 млн км от Земли в направлении от Солнца, откуда можно наблюдать микроволновое небо, не искаженное солнечным излучением. За семь лет зонд с беспрецедентной точностью заснял реликтовое излучение всей небесной сферы, а не просто отдельного участка, как BOOMERanG (поскольку последнему приходилось мириться с присутствием Земли, которая закрывала от него большую часть неба).

Здесь вся небесная сфера спроецирована на плоскость, как поверхность земного шара можно спроецировать на плоскую карту. Плоскость нашей Галактики проходит по экватору, Северный полюс на этой карте – это 90° над плоскостью, а Южный полюс – 90° под плоскостью Галактики. Однако изображение самого Млечного Пути с карты убрано, чтобы она отражала исключительно излучение, исходящее от поверхности последнего рассеяния.

Получив такие полноценные данные, можно сделать гораздо более точную оценку геометрии Вселенной. График по данным WMAP, аналогичный тому, что мы видели в проекте BOOMERanG, с точностью до 1 % подтверждает, 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 в три раза меньше того количества, которое нужно, чтобы получилась плоская Вселенная. Это несоответствие надо чем-то компенсировать.

Пока теоретики хлопали друг друга по спине и поздравляли с верной догадкой о том, что Вселенная плоская, природа подготовила фантастический сюрприз, к которому никто не был готов. Он позволил разобраться с противоречиями в оценках ее геометрии, исходящих из вычисления массы и из непосредственно измеренной кривизны. Как выяснилось, недостающая энергия, необходимая для того, чтобы Вселенная была плоской, прячется буквально у нас под носом.