http://www.ras.ru/digest/showdnews.aspx?id=af4fcd55-e1ad-43f6-8abc-3349f7029f8b&print=1© 2024 Российская академия наук
Астрофизики заявили о потрясающем открытии: оказывается, мы живем в бесконечности не только в пространстве, но и во времени. По сути, наша Вселенная — это лишь один из эонов, этапов в череде вселенных, регулярно рождаемых Большими взрывами
Зря говорят, что эпоха великих открытий в фундаментальной науке закончилась. Что она уступила место нудной и узкоспециализированной прозе жизни, при которой главной задачей ученого становится не познание мира, а методичная подготовка почвы для технологических инноваций — допустим, поиск улучшенной формулы крема от морщин с нанографеновыми нанокристаллами. Даже если в подобных утверждениях и есть доля горькой истины, именно 2012 год вдруг ознаменовался чередой самых что ни на есть фундаментальных прорывов, которые потрясли устои и от которых повеяло подзабытой в науке романтикой.
Итак, не успели отпраздновать поимку бозона Хиггса, как грянула новая сенсация: британские физики Роджер Пенроуз и Ваге Гурзадян обнаружили на карте реликтового излучения доказательство, что наша Вселенная — лишь один из этапов в череде вселенных, регулярно порождаемых Большими взрывами. Доклад об этом прозвучал и на Гинзбурговской конференции по физике, прошедшей недавно в стенах Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, что заставляет отнестись всерьез к предлагаемым изменениям космологической доктрины.
Круги в небесах
Итак, реликтовое излучение — это световые волны, оставшиеся от Большого взрыва. Только за прошедшие миллиарды лет фотоны света остыли и превратились в радиоволны с температурой плюс 2,7 по шкале Кельвина, то есть всего на 2,7 градуса выше температуры абсолютного вакуума. Это излучение было открыто еще полвека назад и поначалу принято за обычные радиошумы, но потом американский физик российского происхождения Георгий Гамов доказал: это не просто шум, а докатившееся до наших дней "эхо" Большого взрыва — своего рода портрет ранней стадии развития нашей Вселенной. Прорыв в исследовании этого излучения произошел в 2001 году, когда на околоземную орбиту был выведен космический радиотелескоп WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), который впервые произвел подробный снимок реликтового излучения.
И вот, похоже, новый прорыв — физик-теоретик из Оксфордского университета сэр Роджер Пенроуз обнаружил на карте реликтового излучения Вселенной загадочные концентрические круги, сам факт наличия которых не вписывается в существующие теории. Сделал он это открытие при содействии физика Ваге Гурзадяна, работавшего по программе эксперимента BOOMERanG, эксперимент включал в себя наблюдение за реликтовым излучением при помощи аппаратуры, расположенной на воздушном шаре, который летал над Антарктикой.
— Анализ реликтового излучения показывает облик Вселенной в тот момент, когда ее возраст насчитывал всего 100 тысяч лет,— заявил в своем докладе академик Пенроуз.— Конечно, ее устройство существенно отличалось от современного — не было еще ни звезд, ни галактик, а вещество во всех точках пространства было практически однородно. Тем не менее на картах реликтового излучения вместо ожидаемого случайного распределения чуть более и чуть менее "горячих" областей, разбросанных в произвольном порядке, мы обнаружили концентрические паттерны — кольца, в которых разброс температуры микроволнового фона аномально низок. Но, согласно существующей теории, все температурные перепады на картах не могут превышать и одной тысячной доли процента.
Ученые даже высчитали, что вероятность спонтанного возникновения кольца из областей со сверхнизкими температурами составляет 10 в минус 7-й степени. Вероятность возникновения двух колец в принципе невозможна. Но на картах реликтового излучения ученые нашли десятки таких колец. И тогда Пенроуз и Гурзадян выдвинули оригинальную гипотезу: именно такие следы и должны остаться на реликтовом фоне, если Вселенная не возникла когда-то в один момент Большого взрыва, но была всегда, просто периодически расширялась и сжималась.
— Таким образом,— уверен Пенроуз,— мы живем в циклической Вселенной, в которой конец одной эпохи, которую мы называем эоном, совпадает с началом другой. Каждый цикл расширения заканчивался сжатием, после которого происходили новый Большой взрыв и расширение. Такая циклическая Вселенная должна быть похожа на матрешку: каждое ее предыдущее состояние содержится в последующем. И нынешняя Вселенная должна "помнить" о предыдущей, во всяком случае, о ее последних днях, когда сжимавшаяся Вселенная коллапсировала в катастрофических столкновениях немногих оставшихся гигантских черных дыр.
Если это действительно верно, то все наши базовые представления о Вселенной, ее возникновении и об истории нуждаются в самой радикальной ревизии.
Такая лямбда
На протяжении веков люди вообще старались не задумываться о том, как устроен наш мир. К тому же на все вопросы авторитеты церкви давали лаконичный ответ: Вселенная создана непостижимым Богом во имя непостижимых для смертных целей, и точка. Конечно, ученые мужи хотели бы возразить, но фактов для серьезных космологических споров в распоряжении науки не хватало. Даже в начале прошлого века Альберту Эйнштейну, вносившему последние штрихи в свое математическое описание Вселенной, не хватало самого главного эмпирического факта, который бы связал всю его теорию в единое целое. В поисках ответа на этот вопрос он обращался ко всем астрономам мира: скажите, господа, а вот Космос, он как, вообще,— расширяется, сжимается или пребывает в равновесии?
Действительно, уравнения Эйнштейна, описавшие все взаимодействия трехмерного пространства Вселенной с энергией и массой, самым непосредственным образом говорили о том, что Вселенная не может быть неподвижной — она может либо расширяться, либо сужаться. Но, если бы Космос в действительности оказался статичен, то тогда в стройную систему уравнений пришлось бы вносить дополнительные элементы, которые бы уравновешивали силы гравитации. Разумеется, Эйнштейна такая перспектива ничуть не радовала: согласитесь, если законы тяготения применительно к массе-энергии были вполне обоснованны, то для существования каких-то противоборствующих сил не было никаких резонов.
Но большинство астрономов того времени были убеждены в неподвижности Вселенной. И Эйнштейну пришлось скрепя сердце вписать в систему уравнений некий "антигравитационный" коэффициент, обозначив его греческой буквой "лямбда". Это добавление, нужное лишь для того, чтобы в системе уравнений свести концы с концами, получило название "космологическая константа", впоследствии Эйнштейн признался, что эти его расчеты были "самой большой научной ошибкой".
Ошибка эта становилась еще обиднее и из-за того, что в то время уже были известны результаты наблюдений американского астронома Весто Мелвина Слайфера, работавшего в частной обсерватории миллионера Персиваля Лоуэлла, одержимого идеей найти цивилизацию на Марсе. Для этого Лоуэлл построил самую большую в США обсерваторию с самым большим в мире телескопом, который обошелся ему в 20 тысяч долларов — огромные деньги в начале прошлого века.
Слайфер с иронией относился к поискам жизни на Марсе, но постарался использовать телескоп для сугубо научных задач, в частности постарался понять, как перемещаются соседние галактики относительно Земли. С этой целью он первым использовал спектрограф — прибор, разлагающий свет, попадающий в телескоп, на части спектра. Идея была проста: если первым в части спектра стоит красный цвет — вспомните: "Каждый охотник желает знать...", то, в случае если звезда удаляется от нас, количество волн будет сокращаться и видимым будет преимущественно красный спектр. Если же звезда приближается, то преобладать будет последний цвет спектра — фиолетовый, этот эффект получил в астрономии название "фиолетового смещения". Уже к концу 1914 года Слайфер, пользуясь спектрографом, провел измерение движения всех окрестных галактик. И пришел к любопытным выводам: из 25 соседних туманностей и галактик большая часть — 21 — мчится от Земли и только четыре приближаются к нам, причем, с огромной скоростью — свыше 2 млн километров в час. Доклад Слайфера на собрании Американского астрономического общества был встречен овацией, а среди тех, кто ему аплодировал, был известный астроном Эдвин Пауэлл Хаббл.
Стоит сказать, что слава не очень интересовала мизантропа Слайфера, он почти не посещал научных тусовок, предпочитая проводить время в обсерватории. Но именно Хаббл, слывший в академическом сообществе чуть ли не поп-звездой, понял, что за открытием Слайфера — не просто любопытные факты, но целая научная система, способная перевернуть мир. Именно Хаббл, объединив результаты наблюдений Слайфера со своими расчетами, сделал сенсационный вывод: галактики не просто разбегаются, но делают это с разными скоростями. То есть чем дальше от нас галактика, тем больше ее скорость, к примеру, если одна убегающая галактика находится от нас вдвое дальше другой, то она и движется в два раза быстрее, потому что пространство между нами также увеличивается. И объяснение этому феномену было только одно: все эти звездные скопления разбегаются не друг от друга, но от некоего гипотетического центра мироздания, из которого и зародилось все пространство.
"Галактики можно уподобить конфетти, облепившим воздушный шар,— писал Хаббл.— Если тот начнет раздуваться, а затем лопнет, то бумажные кружочки не продолжат плавно раздвигаться, а разлетятся в разные стороны". Так и появилась теория Большого взрыва, ставшая воплощением того взрывного для развития науки времени, когда одно открытие рождало другое.
Позже были просчитаны и детали господствующей ныне космологической доктрины, согласно которой более 13,75 млрд лет назад абсолютное ничто внезапно каким-то непонятным образом сгустилось до состояния сингулярности, то есть до точки, характеризующейся бесконечно большой плотностью и температурой. Разумеется, спустя мгновение эта точка стала стремительно расширяться — это расширение получило название Большого взрыва, благодаря ему появилась наша Вселенная, которая и сегодня непрерывно расширяется и охлаждается. И будет расширяться еще миллиарды лет, пока не потухнут все звезды и в пространстве снова ничего не останется.
Парадоксы вдруг
Увы, стройная теория Большого взрыва дала трещину уже в 1924 году. Советский математик Александр Фридман заметил в поведении разбегающейся Вселенной странность, которая противоречила всем расчетам: Вселенная не просто расширяется, но расширяется со все возрастающей скоростью, а это полностью опровергает всю теорию мироздания. Согласитесь, за 13 млрд лет инерция разлета звездных скоплений должна была неизбежно ослабнуть, а действие гравитационных сил — привести к схлопыванию пространства. Но этого почему-то не произошло, как писал сам Эдвин Хаббл, галактики будто бы растаскивала по пространству какая-то непонятная сила. Объяснения этому феномену не существовало.
Тогда в поддержку теории Большого взрыва была сформулирована другая теория — теория "темной энергии", с которой впервые столкнулся в 1937 году американский астроном Фриц Цвики, наблюдавший в телескоп за вращением галактик в скоплении Волосы Вероники. Итак, если звезды испускают определенное количество света на килограмм массы, то, проанализировав свечение звезды, можно понять, сколько в ней содержится вещества. Странность же вращения той туманности, которую изучал Цвики, была в том, что звезды на периферии галактики двигались слишком быстро, чтобы их могло удержать притяжение той массы, которая получалась в расчетах. Другими словами, математическая модель показывала, что Волосы Вероники примерно в 400 раз массивнее, чем представляется визуально. Вся наука рушилась буквально на глазах, и тогда Цвики предложил свое объяснение: помимо видимой материи звезд массу галактики "утяжеляет" еще какая-то невидимая материя. Это похоже на айсберг: наблюдатель видит только его надводную верхушку, хотя основную часть составляет невидимая подводная часть. И именно на эту невидимую материю, существование которой было невозможно ни доказать, ни опровергнуть, и была возложена ответственность за растаскивание звездных галактик по Вселенной. Эта растаскивающая сила получила название "темная энергия".
Но тут и возникает вопрос: что же это за невидимая материя?
Ответа нет. "Более того, ученые до сих пор не могут точно высчитать ее параметры,— пишет британский физик Майкл Брукс в книге The Big Question.— Если высчитывать темную энергию на основе наблюдений за процессом рождения сверхновых звезд, то получаются ничтожно малые величины. Зато когда величину темной энергии вычисляют физики-теоретики согласно квантовой теории поля, у них, наоборот, получается фантастически огромный излишек. Если верить их расчетам, темная энергия до того велика, что Вселенная давно должна была разлететься на субатомные частицы в порыве сверхмощного ускорения. И знаете, ножницы между постулатам теории и экспериментальными данными... выражаются числом со 120 нулями".
Толчок сознания
В конце прошлого века обозначился очередной неразрешимый парадокс в теории Большого взрыва, речь идет о начальном импульсе рождения Вселенной. Вообще, объяснить словами, что такое сингулярность, просто невозможно. Еще труднее понять, как из ничего получилось то, что мы видим сейчас. "Чтобы Вселенная начала разлет из некой сверхплотной раскаленной точки, ей нужен был импульс энергии определенной величины,— пишет Майкл Брукс.— Но окажись он чрезмерно мощным, тогда любая образующая материя размазалась бы тонким слоем, настолько тонким, что силы гравитации не смогли бы слепить из этого "блина" ни единой звезды... Если бы энергия расширения была бы, наоборот, слишком мала, то гравитация сжимала бы вещество в ходе обратного цикла и центростремительный импульс нарастал бы вместе с уплотнением, и в конце концов ткань Вселенной "схлопнулась" бы, как выражаются астрономы, в Большом коллапсе".
Тем не менее Вселенная существует, хотя до конца и непонятно, каким образом. До последнего времени этими неудобными вопросами о происхождении и жизни Вселенной не принято было даже интересоваться, чтоб не подрывать догматы науки. Что ж, работа Пенроуза и Гурзадяна на этом фоне прозвучала как вызов таким догматам. И даже если выводы этих ученых в итоге окажутся неправильными, их работа уже сама по себе тот прорыв, который напоминает всем молодым ученым: эпоха фундаментальных открытий, что бы там кто ни говорил, все еще не закончилась.