Текст книги "Наша математическая вселенная. В поисках фундаментальной природы реальности"

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]12
  Русский перевод – «большой взрыв» – не отражает иронии, которую в этот термин вкладывали его изобретатели – противники идеи. Название должно было звучать примерно как «большой бах». – Прим. науч. ред.


[Закрыть]. 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]13
  Звезды увеличивают содержание гелия сверх 25 %, возникших после первичного нуклеосинтеза. Мы можем разделить эти два источника гелия благодаря телескопам: чем дальше в прошлое – тем меньше мы видим гелия. Его содержание стремится к 25 %, когда мы заглядываем во время до образования большинства звезд.


[Закрыть]. 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.

• 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.

Глава 4. Вселенная в числах

Космологи часто ошибаются, но никогда не сомневаются.

Лев Ландау

Теоретически теория и практика – одно и то же, но на практике – совсем разные вещи.

Альберт Эйнштейн

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?

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.

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]14
  Параметры, определяющие форму кривой спектра мощности, являются в значительной мере «подгоночными»: мы не в состоянии их измерить. Вместо этого мы подбираем такие их значения, чтобы соответствующая им кривая прошла через точки, отвечающие наблюдениям. При этом критически важно, конечно, что кривую спектра мощности можно заставить пройти через все эти точки за счет выбора всего нескольких параметров. Это и свидетельствует о разумности выбранной модели, и указывает на значения этих параметров, действительно реализованных в нашей Вселенной. – Прим. науч. ред.


[Закрыть].