Физика с Хокингом. Ключевые идеи в популярном изложении - Рюдигер Ваас Страница 9

отметке минус 273 градуса – на абсолютном нуле – Nullpunkt, ist Schluss.) Die Hintergrundstrahlung tragt ubrigens zu dem charakteristischen Rauschen der Fernsehbildschirme bei – oder tat es jedenfalls, als es noch Antennenempfang und einen Sendeschluss gab.

Вселенная стала прозрачной, т. е. проницаемой для излучения, после того, как она остыла достаточно, чтобы атомные ядра захватили свободные электроны и таким образом образовали атомы.

«У меня всегда была ясная цель: я хочу узнать, как устроена Вселенная и почему она вообще существует. К счастью, подсказки есть повсюду. Самая важная из них находится прямо у нас над головами».

Реликтовое излучение наряду с доказательствами расширения пространства и открытиями физики элементарных частиц является важнейшим доказательством Большого взрыва. На самом деле ученые, поддерживавшие теорию Большого взрыва, предсказали существование реликтового излучения еще до того, как оно было впервые измерено в 1964 году. Само небо может рассказать, как оно возникло.

И что еще лучше: в этом отголоске Большого взрыва содержатся скрытые послания. Реликтовое излучение не совсем однородно, а содержит незначительные колебания температуры, составляющие всего несколько сотых и даже тысячных градуса. Они образуют на первый взгляд скучный узор из точек, который, однако, завораживает исследователей, потому что эти пятна отражают неровности первичной материи. Там, где реликтовое излучение холоднее (!), там когда-то было немного больше горячей плазмы. За прошедшие миллиарды лет эти уплотнения привели к образованию крупных структур в космосе. Реликтовое излучение представляет собой своего рода детскую фотографию молодой Вселенной, а разница температур отображает зародышевые клетки более поздних галактик и скоплений галактик.

Изображение космического младенца: мелкозернистый рисунок пятен показывает крошечные перепады температур по всему небу. Они возникают из-за неравномерного распределения материи вскоре после Большого взрыва.

Характер распределения температурных колебаний напоминает космический отпечаток пальца. А космологи – детективы, которые могут использовать эту информацию для создания профиля нашей Вселенной. Эту модель можно использовать для расчета фундаментальных характеристик Вселенной: ее возраста, плотности, состава, скорости расширения и т. д.

Эта информация чрезвычайно важна для формулировки и проверки космологических гипотез. Хокинг и его коллеги также активно участвовали в этом соревновании между конкурирующими моделями мира. Пока еще не все детали реликтового излучения стали известны. Поэтому исследователи пытаются вывести из своих идей прогнозы, которые можно будет проверить с помощью будущих измерений. Это чрезвычайно сложный вопрос, ведь некоторые модели уже были опровергнуты. С другой стороны, новая модель инстантона Хокинга все еще находится в стадии разработки.

Плоский мир

Хотя теория Большого взрыва в настоящее время полностью подтверждена, она все еще оставляет много вопросов без ответа и проблем без решения. Неясно, что на самом деле вызвало Большой взрыв, откуда взялись элементарные частицы и что сделало пространство таким большим. На самом деле изначальная теория Большого взрыва посвящена не самому Большому взрыву, а его последствиям. Есть и другие моменты, которые стали очевидны еще в 1960-х и 1970-х годах. В 1973 году Хокинг указал на чрезвычайно маловероятную «плоскость» пространства, то есть на тот факт, что в больших масштабах оно совсем или почти совсем не искривлено. Например, если бы оно было положительно «изогнуто», как поверхность воздушного шара, его, безусловно, можно было бы измерить. В школьной геометрии сумма углов треугольника на плоском листе бумаги составляет 180 градусов. С другой стороны, треугольники на сфере, например, на земном шаре, один угол которого находится на Северном полюсе, а два – на экваторе, имеют большую сумму углов. Поверхность Земли не плоская, а изогнутая, даже если вы обычно не замечаете этого во время короткой воскресной прогулки или на паркетном полу бального зала. В космосе сумма углов гигантских треугольников также может быть измерена.

Кривизна Вселенной зависит от плотности материи и энергии в ней. Соответственно изменяются и суммы углов треугольников. Измерения показали, что наблюдаемая Вселенная практически не искривлена. Это удивительно и требует объяснения.

Результат: 180 градусов (погрешность измерения менее одного процента). Это удивительно, потому что без специальных предположений эта «плоскостность» крайне маловероятна. (Малейшие отклонения от плоского пространства сразу после Большого взрыва быстро усиливались бы из-за расширения Вселенной; следовательно, плоскостность была либо странным начальным условием, либо создана неизвестным механизмом.)

Хокинг был очень удивлен такой плоскостью. Однако в научной статье, написанной совместно с Барри Коллинзом, он подчеркнул, что в сильно искривленной Вселенной вообще не было бы звезд, а значит, и людей, которые могли бы им удивляться. Потому что тогда пространство либо расширилось бы так быстро, что материя была бы полностью рассеяна, либо оно бы снова сжалось и поглотило само себя в финальном взрыве.

«Предположим, что существует бесконечное число Вселенных со всеми возможными начальными условиями. Галактики могут развиваться только во Вселенных, которые расширяются достаточно быстро, чтобы не разрушиться. Это подмножество Вселенных в целом однородно. Поскольку существование галактик является необходимым условием разумной жизни, ответ на вопрос «Почему Вселенная изотропна?» звучит просто: «Потому что мы здесь».

Другая связанная с этим проблема – это вопрос о том, почему Вселенная в целом и во всех направлениях выглядит столь однородной. Все эти задачи можно решить одним неожиданным способом: сценарием космической инфляции.

Как Вселенная стала большой

Термин «инфляция» пространства (от латинского «inflare» – «раздувать») не имеет ничего общего с обесцениванием денег, происходящим во время политических или экономических кризисов. Напротив, принято говорить, что природа создала все практически из ничего, при этом, так сказать, безвозмездно, т. е. без нарушения закона сохранения энергии.

Согласно модели космической инфляции, в первую долю секунды после Большого взрыва произошла фаза быстрой инфляции. В результате Вселенная, как говорят, внезапно стала больше. Сегодня пространство кажется локально «плоским», даже если бы оно было глобально искривлено.

Из-за космической инфляции пространство расширилось за доли секунды до гигантских размеров. До сих пор трудно сказать, как долго потом продолжалось это расширение, мнения в этом вопросе различаются в зависимости от теории. (Популярная модель: за невероятно короткий промежуток времени в 10“30 секунд молодая Вселенная расширилась в 1030 раз – это как если бы 10-центовая монета вдруг стала в десять миллионов раз больше Млечного Пути). Инфляция привела к тому, что объем пространства удвоился 50 раз, поскольку в противном случае Вселенная не обладала бы