Шесть вопросов о Большом взрыве
Бозон Xиггса
В 1964 году пара инженеров лаборатории компании Bell занималась созданием улучшенной антенны для радиоприемника, и невзначай открыла истоки нашей Вселенной. После тщательного удаления всех возможных радиопомех, включая сигналы города, возможные эффекты испытания ядерного оружия и подобные маловероятные источники, Арно Пензиас и Роберт Уилсон пришли к выводу, что их приемник действительно позволяет слышать помехи неизвестного источника. Теперь мы знаем, что источником этих помех можно считать саму нашу Вселенную. Рожденное во время Большого взрыва, реликтовое излучение пронизывает Вселенную и может быть зарегистрировано в любой ее точке.
Это открытие стало последним камнем, цементирующим и без того прочную теорию рождения Вселенной в Большом взрыве. Полвека спустя это открытие принесло инженерам Нобелевские премии по физике, а всему человечеству знания о возрасте, форме и составе Вселенной, ведь теперь реликтовое излучение аккуратно нанесено на карту небесной сферы. Тем не менее, как любое крупное открытие, реликтовое излучение принесло свои вопросы, занявшие место тех, на которые удалось ответить. Люди еще знают далеко не все о Большом взрыве и вездесущем излучении, порожденном им. Шесть таких вопросов приведены ниже.
1. Почему молодая Вселенная столь равномерна?
Карты реликтового излучения, особенно первые и менее точные, нежели современные, могут показаться слишком хорошими. После Большого взрыва материя должна была начать разлетаться и параллельно собираться в уплотнения, которые затем дали рождения галактикам и их скоплениям. Однако реликтовое излучение, отражающее состояния очень молодой Вселенной, необычайно равномерно. Как будто расширение шло одинаково по всем направлениям и на одном расстоянии от точки взрыва.
Более тридцати лет назад для объяснения этих наблюдательных данных была разработана теория инфляционной Вселенной. Она описывает последовавшее после Большого взрыва расширение Вселенной с экспоненциальной скоростью. Эта теория хорошо объясняет видимое на картах реликтового излучения, равно как и последующее более медленное расширение Вселенной, когда начали образовываться сгустки материи. Однако ни причина и момент начала, ни причина завершения этого периода нам неизвестны. Что мешало инфляции продолжиться, так что сейчас любые одиночные атомы Вселенной разделяли бы тысячи световых лет? Нам также не удается увидеть одно из обязательных следствий инфляции – гравитационные волны, создаваемые мощнейшими возмущениями пространства-времени при экспоненциальном расширении пространства. Следы этих гравитационных волн должны быть на картах реликтового излучения, просто они еще недостаточно точны и подробны. Открытие гравитационных волн, ставших результатом инфляции, не только подтвердит догадку Эйнштейна об их существовании, но и позволит изучить инфляционный период жизни Вселенной.(Гравитационные волны были открыты!)
2. Было ли что-то до Большого взрыва?
Инфляционный период в истории Вселенной стер все следы, которые могли бы остаться от времени до нее (то есть нет излучения, предшествующего этому периоду). Теоретически подступить к происходившему до инфляции также непросто. Вселенная была столь плотной и горячей, что уравнения в имеющихся в нашем распоряжении моделях Вселенной вырождаются. Эти уравнения основываются на общей теории относительности, позволяющей описывать крупные структуры, в том числе всю Вселенную. Однако после Большого взрыва Вселенная была крохотной, и потому для ее описания следует использовать квантовую механику. Таким образом, чтобы описать происходившее до инфляции, во время Большого взрыва или даже до него следует использовать математический аппарат, основанный как на общей теории относительности, так и на квантовой механике. Создание такой теории, находящееся на острие современной теоретический физики, пока продвигается медленно. Зато имеющийся математический аппарат, инфляционная теория и знания о реликтовом излучении позволяют строить различные догадки относительно судьбы, прошлой и будущей, повторяющейся, нашей Вселенной, ее месте среди других Вселенных, если они есть, и так далее.
3. Могла ли в лучах реликтового излучения зародиться древняя жизнь?
Реликтовое излучения было создано очень горячей плазмой, заполнявший космос молодой Вселенной. Со временем эта плазма, расширяясь, остыла. Благодаря этому материя смогла образовать сгустки, из которых родились звезды и планеты, на которых теперь процветает жизнь, греясь в лучах солнц. Однако сам космос стал очень холодным местом. Несколько градусов выше абсолютного нуля, обеспечиваемые в космосе реликтовым излучением, вряд ли достаточны для зарождения и поддержания жизни. Однако реликтовое излучение холодело постепенно, и примерно через 15 миллионов лет после Большого взрыва его температура находилась в пределах между замерзанием и кипением воды. Вся Вселенная, таким образом, была одной большой обитаемой зоной. К этому времени могло родиться лишь небольшое число планет в местах особенно плотного скопления материи, и на этих планетах несколько миллионов лет могли поддерживаться пригодные для жизни условия. Этого времени достаточно для зарождения микробной жизни.
4. Что такое темные материя и энергия?
Уже в 1964 году стало известно, что некоторые регионы Вселенной массивнее, чем мы можем оценить исходя из видимых в этих местах звезд. Наблюдение галактик, вращающихся вокруг общего центра масс в скоплениях, позволяет заключить, что во всех скоплениях массы намного больше, чем мы видим. Остальная масса приходится на темную материю. Логичное название, ведь ее не видно. На долю темной материи приходится 80% массы всей материи, и это также было установлено при анализе реликтового излучения. Мы до сих пор не знаем, из чего состоит темная материя. Все, что мы уверенно знаем о составляющих ее частицах – их участие в гравитационном взаимодействии и игнорирование электромагнитного, а ведь последнее необходимо для наблюдения.
Расширение Вселенной является еще более таинственным фактом. Уже более 80 лет известно о расширении Вселенной, хотя до этого предполагалось ее уменьшение под действием гравитации. А с 1998 года мы знаем, что расширение Вселенной еще и ускоряется. Этот факт относится на действие темной энергии. Фактически, о темной энергии мы не знаем ничего, кроме ее действия.
5. Какова судьба Вселенной?
Изучение реликтового излучения может помочь выяснить хотя бы историю воздействия темной энергии на Вселенную. Тогда, предположив ее поведение в будущем, можно будет предположить, какая судьба ждет в конце концов Вселенную. Если темная энергия будет набирать силу или хотя бы продолжит действовать, как сейчас, то Вселенная может быть обречена расшириться бесконечно, и тогда все ее атомы станут одиноки, звезды, планеты и живые существа распадутся в Большом разрыве. Возможно, сила темной энергии колеблется, тогда после этого снова начнут образовываться структуры из материи.
6. Станет ли Большой взрыв непроверяемой теорией?
Ускоряющееся расширение Вселенной несет в себе интересное следствие. Все больше расширяясь вместе со Вселенной, длина волн реликтового излучения постепенно сольется в одну волну бесконечной длины. Если к этому времени еще будет существовать человек, то он больше не сможет проверить свои знания о Большом взрыве: реликтовое излучение, единственный след рождения Вселенной, станет недоступен для наблюдения. Впрочем, кто может предположить изменения, которые к тому времени ожидают Вселенную и человека?