Чтение онлайн

фоновое излучение (температура около 3 K); избыток гелия (около 25% общей массы); однородность и изотропность пространства; наличие флуктуации, следующее из существования галактик; соотношение между веществом и излучением.

В идеале теория, предложенная учёными (в нашем случае теория Большого взрыва), должна предсказывать определённые события, скажем, наличие излучения с температурой 3000 K. Применяя нашу теорию, можно проследить изменение этой температуры до наших дней. Теория предсказывает, что сейчас она должна составлять около 3 K. Мы начинаем поиски излучения и, как уже говорилось, находим его. То же относится и к гелию: теория предсказывает, что гелий должен составлять около 25% всего вещества во Вселенной, и мы видим, что это число очень близко к реальному. С другими реликтами, впрочем, возникают сложности: например, мы до сих пор не знаем точно, в результате каких флуктуации появились галактики. Кроме того, теория Большого взрыва предсказывает существование большого числа магнитных монополей (магнитные монополи – это частицы с единственным магнитным полюсом, тогда как у обычного магнита полюсов всегда два – северный и южный). Однако до сих пор ни одного монополя не обнаружено. Теория раздувания помогает решить некоторые из этих проблем, но, как мы отметили раньше, она же рождает новые трудности.

Одной из главных причин изучения очень ранних этапов развития Вселенной является желание как можно больше узнать об объединении. С помощью таких исследований удаётся разобраться в проблемах, связанных с объединением.

Теория Большого взрыва существует уже около 40 лет, и большинство астрономов считает её справедливой. Однако было бы ошибкой думать, что в ней нет никаких неясностей. Эта теория не даёт ответов на ряд важных вопросов, а некоторые её выводы не согласуются с наблюдениями.

Единая теория должна объяснять строение и эволюцию Вселенной, и потому нам стоит разобрать её недостатки. Во-первых, теорию Большого взрыва нельзя назвать простой, она состоит из нескольких теорий, или, по крайней мере, имеет множество вариантов. Согласно этой теории Вселенная расширяется, но теория не объясняет, что вызвало расширение или что в конце концов произойдёт со Вселенной. Впрочем, она даёт нам косвенные свидетельства того, что Вселенная началась со взрыва огромной силы и что в зависимости от количества вещества расширение может либо продолжаться бесконечно, либо прекратиться, и Вселенная снова сожмётся в точку.

Что будет со Вселенной дальше, неизвестно, но есть много свидетельств того, что она находится в некоем пограничном положении. Другими словами, Вселенная, очевидно, находится на грани открытого (т.е. постоянного расширения) и закрытого (т.е. расширения с последующим сжатием – коллапсом) состояний. Чтобы определить, по какому пути она пойдёт, нужно решить так называемую проблему кривизны; дело в том, что наша Вселенная скорее плоская, чем искривлённая. Большинство астрономов считает, что это обстоятельство должно получить какое-то объяснение, но до сих пор оно не найдено.

Другая проблема связана с однородностью пространства. Если смотреть с Земли, то Вселенная (в крупном масштабе) кажется одинаковой во всех направлениях. Плотность распределения галактик и их тип в целом одинаковы. Более того, одинаковы во всех направлениях и характеристики реликтового излучения. Однако, если задуматься, возникает вопрос, почему это так. Если предположить, что Вселенная родилась, скажем, 18 миллиардов лет назад, то галактики, которые находятся сейчас на расстоянии 20 миллиардов световых лет, никак не могли «вступить в контакт» друг с другом, так как иначе сигнал должен был бы двигаться со скоростью, большей световой, а это, как мы знаем, невозможно. Иначе говоря, Большой взрыв был настолько мощным, что некоторые районы ранней Вселенной оказались полностью отрезанными друг от друга и по мере расширения так и остались изолированными.

Суть проблемы такова: если различные области ранней Вселенной были отрезаны друг от друга и между ними не могло быть никакой связи, то как получилось, что эти области одинаковы? Ответа на этот вопрос теория Большого взрыва не даёт. Э. Р. Харрисон из Массачусетского университета говорит так: «Мы бы гораздо проще смотрели на такое удивительное положение вещей… если бы могли объяснить, как оно создалось».

Теория Большого взрыва не может объяснить и сингулярности. На деле, как выяснилось из предыдущей главы, мы не уверены даже в том, что она вообще существует. Кроме того, теория Большого взрыва излагается в понятиях общей теории относительности, а квантовой версии этой теории у нас нет. Главная трудность при попытке изложить общую теорию относительности на языке квантов заключена в том, что по теории относительности пространство искривлено. В обычной квантовой теории, например в квантовой теории электромагнитного поля, мы имеем дело с плоским пространством. Из-за отсутствия такой «квантовой версии» общей теории относительности мы мало знаем о сингулярности и о том, что произошло сразу после взрыва. Из теории Большого взрыва не ясно и что происходило до него. Что, к примеру, было до «нулевого» времени? Существовала ли другая Вселенная, которая и взорвалась, дав жизнь нашей? Вполне вероятно, однако у нас нет тому никаких доказательств и, возможно, никогда не будет.

Ещё одна трудность связана с происхождением галактик. По словам Фреда Хойла, «горячий Большой взрыв… это неверное понятие, потому что в результате такого взрыва не могли образоваться галактики». Я уже упоминал раньше, что они образовались в результате флуктуации в гигантском облаке газа, которое распространилось по всей Вселенной. О том, как мог проходить этот процесс, было написано множество работ, которые, впрочем, в большинстве своём имеют чисто умозрительный характер. Конечно, некоторые идеи кажутся многообещающими, и это окрыляет, но неясного ещё очень много.

В соответствии с теорией Большого взрыва во Вселенной должно быть множество магнитных монополей (частиц с одним магнитным полюсом). Но до сих пор, как уже говорилось, не найдено ни одного. Соообщения об этих частицах появлялись, но ни одно не подтвердилось. Теория Большого взрыва в своей модификации раздувания, о которой шла речь в предыдущей главе, избавляет от некоторых из этих трудностей, но создаёт новые. Например, она позволяет решить проблему однородности пространства, исходя из предположения о том, что каждая изолированная область ранней Вселенной раздувалась так быстро, что превратилась в отдельную Вселенную. Раздувание помогает решить и проблему монополей, так как предполагается, что они распространились по всем вселенным, а в нашей Вселенной теперь их, вероятно, совсем немного.

Однако даже раздувание не спасло положения. Теория Гута сулила избавление от всех трудностей, однако при более детальном анализе и в ней обнаружились изъяны. Впрочем, теория казалась столь многообещающей, что учёные тут же принялись за разработку её модифицированного варианта, и в начале 1982 года была опубликована новая теория раздувания. От старого этот вариант отличался главным образом тем, что добавились разделы из физики элементарных частиц. Впрочем, вскоре и эта теория потерпела крах: оказалось, что галактики не могут образовываться за счёт флуктуации, которые появляются в ходе раздувания. Итак, мы вернулись к тому, с чего начали. Впрочем, если удастся разрешить все затруднения, то теория может оказаться удачной.

Есть в космологии и другой давнишний спорный вопрос. Долгие годы считалось, что возраст Вселенной составляет примерно 18 миллиардов лет. Эта цифра приводилась в большинстве учебников, статей и популярных книг по космологии и принималась большинством учёных, так как основывалась на работе Хаббла, которую долгие годы развивали Аллен Сэндейдж из Хейльской обсерватории и Густав Тамман из Базеля.

Не все, однако, были согласны с таким результатом. Жерар де Вокулер из Техасского университета работал над этой проблемой, используя сходную методику, и постоянно получал результат около 10 миллиардов лет. Сидни ван ден Берг из канадской обсерватории в Виктории также получил близкое значение. Но почему-то эти результаты остались без внимания. В 1979 году ещё трое астрономов объявили о том, что с помощью других методов получили результаты, близкие по значению к полученным Вокулером.

Учёные наконец обратили внимание на эти результаты и кое-кто задумался – не надо ли по-новому взглянуть на проблему возраста Вселенной. Большинство продолжало придерживаться прежнего результата – 18 миллиардов лет, но по мере того, как появлялись новые данные, свидетельствовавшие в пользу 10 миллиардов лет, начинал разгораться спор. Давайте немного задержимся на этом и разберёмся в сути этого спора.

Мы уже видели, что Хаббл, соотнеся расстояние до галактик с их красным смещением, предсказал расширение Вселенной. На его диаграмме особо важным представляется угол наклона прямой, проходящей через точки; значение Н называется постоянной Хаббла. Важность этой постоянной определяется её связью с возрастом Вселенной. Она даёт нам представление о скорости расширения, и если мы повернём расширение, или, что то же самое, время, вспять (предположив, что оно течёт в обратную сторону), то Вселенная сожмётся. Тогда возраст Вселенной будет определяться тем временем, которое потребуется всему веществу, чтобы сжаться до размеров точки. Если бы Вселенная расширялась равномерно, то её возраст был бы обратным величине H (т.е. пропорционален величине 1/H). Однако существует явное свидетельство в пользу того, что это не соответствует действительности: похоже, что расширение замедляется. Значит, чтобы узнать реальный возраст Вселенной, нам следует помнить об этом и соответственно знать, как быстро расширение замедляется.