Тайны открытий XX века - Александр Волков

Вчерашние гипотезы превратились в факты. Теперь мы знаем:

Возраст Вселенной составляет 13,7 (± 0,2) миллиарда лет (она почти в три раза старше Земли).

Первые звезды появились намного раньше, чем предполагалось: всего через 200 миллионов лет после Большого Взрыва.

Теория «космической инфляции» подтвердилась, хотя механизм этого процесса до сих пор не вполне ясен.

Скорость расширения Вселенной — она носит название «постоянной Хаббла» — составляет 71 километр в секунду на каждый мегапарсек расстояния (1 мегапарсек равен 3,26 миллиона световых лет). Этот показатель всего на один процент отличается отданных, полученных после десяти лет наблюдений с помощью Космического телескопа имени Хаббла. Совпадение тем более поразительно, что оба результата получены путем наблюдений за совершенно разными физическими процессами.

Вселенная состоит почти на три четверти из так называемой «темной энергии», природа которой непонятна, но именно от нее зависит судьба мироздания; она заставляет Вселенную расширяться все быстрее. На 25 процентов Космос состоит из не менее загадочной «темной материи». К ней принадлежат неизвестные пока элементарные частицы, движущиеся с малой скоростью. Что касается массы видимой материи — массы всех звезд, планет и газопылевых туманностей, — то она составляет около пяти процентов (!) массы мироздания.

Наша Вселенная оказалась «плоской», то есть ее пространство не искривлено наподобие поверхности шара. Таким образом, в трехмерном космическом пространстве справедлива знакомая всем евклидова геометрия, например, сумма углов треугольника обязательно равна 180°.

На карте Уилкинсона отмечены даже флуктуации температуры, равные 0,0002° 

Чтобы получить эти результаты, ученые проделали титаническую работу, проверив более миллиона различных моделей, пока не выбрали ту, что во всем совпадает с данными, собранными зондом Уилкинсона. Так криминалист мог бы среди миллиона отпечатков пальцев подыскивать один-единственный.

Зато теперь один из участников этого исследования, профессор Принстонского университета Дэвид Спергелл, вправе был заявить: «Когда я занялся космологией, это была спекулятивная дисциплина. Я никогда не думал, что удастся достичь такой точности результатов. Теперь космология в самом деле стала экспериментальной наукой».

Одновременно велись и ведутся другие исследования — анализ распределения галактик и галактических скоплений, спектральный анализ света квазаров, измерение яркости далеких сверхновых звезд. По их результатам тоже можно оценить геометрию Вселенной, скорость ее расширения, плотность и распределение материи. Все эти данные совпали с результатами, полученными с помощью зонда Уилкинсона. Это лишь подчеркивает справедливость итоговой модели.

«Когда я придумал космическую инфляцию, — признался Алан Гут, — я и поверить не мог, что когда-нибудь увижу, как мои расчеты будут поверены практикой. Позднее боялся, что теория будет опровергнута. Теперь же дело свелось лишь к уточнению кое-каких деталей».

Уточнять есть что. Никто не знает, когда и как началась «космическая инфляция», долго ли она продолжалась и почему прекратилась. Сейчас существует уже более трехсот различных моделей этого процесса. Предстоит выбрать наиболее точную модель, но это не меняет главного: «космическая инфляция» стала частью экспериментальной науки.

Теперь на очереди исследование гравитационных волн — искривлений пространства-времени, возникших сразу после Большого Взрыва (Big Bang). Существование этих волн также проистекает из теории «космической инфляции». Итак, настает время точной, экспериментальной космологии.

Точность данных, полученных зондом Уилкинсона, поразительна. Теперь теоретики располагают солидной экспериментальной базой — фундаментом современной космологии, ее стандартной моделью. Даже удивительно, что теории космологов так точно описывают раннюю эпоху существования Вселенной, хотя ученые понимают, что… ничего не знают о том, из чего на 95 процентов состоит мироздание.

От хруста до шепота: путешествие в Вечность

Лет десять назад космологи спорили в основном о двух вещах: о скорости расширения Вселенной и средней плотности материи. Если последняя превысит определенную критическую величину, то расширение Вселенной прекратится, и она начнет сжиматься. Все кончится катастрофой, коллапсом, «схлопыванием» Вселенной — «Большим Хрустом» (Big Crunch).

Если же плотность не достигнет этой величины, то Вселенная будет бесконечно расширяться. Когда-нибудь погаснут звезды, распадется материя и даже испарятся черные дыры. В череде взрывов и вспышек, методично перемалывающих содержимое вселенского сосуда, не найдется места ни для звезд, ни для планет, ни для людей. Эта модель получила название «Big Whimper» — «Большой шепот».

Исследования последних лет показали, что материи, имеющейся во Вселенной, недостаточно, чтобы вызвать ее коллапс. Однако судьба Вселенной стала еще более неясной, чем прежде. Причина в том, что природа «темной энергии» пока непонятна. Пожалуй, это одна из главных проблема современной физики. Мы вновь не понимаем мир, в котором живем. Поколения ученых постигали законы видимого нам — пусть в телескопы, пусть в микроскопы — макро- и микромира, и что же оказалось? Что они изучали всего 5 процентов материи, из которой состоит мироздание.

За реликтовым излучением наблюдают даже наземные телескопы 

Темная энергия, как показывают модельные расчеты, также может вызвать коллапс Вселенной, ее вечное расширение или — еще один вариант — «Большой Разрыв» (Big Rip). Исследование темной энергии затруднено невозможностью лабораторных экспериментов. Быть может, Вселенная — это единственная лаборатория, где мы можем изучать темную энергию.

Расчеты показывают, что именно темная энергия вот уже несколько миллиардов лет вызывает ускоренное расширение Вселенной; она словно отталкивает всю видимую материю. Будет ли так всегда? Все зависит от ее природы, и, значит, судьба мироздания по-прежнему меняется по воле гипотез.

Важнейшим параметром темной энергии, по оценкам космологов, является отношение ее давления к плотности, обозначаемое как «w». По оценке большинства космологов, показатель «w» должен лежать в пределах от — 1,2 до — 0,8. Именно эти значения лучше всего согласуются с данными, полученными зондом Уилкинсона.

Казалось бы, невелика разница, но это фатально меняет судьбу мироздания. Вот какой сценарий будущего предложили в 2003 году известный американский космолог Роберт Колдуэлл и его коллеги Марк Каменковски и Невин Уэйнберг, предположив, что «w» меньше — 1.

Продолжится ускоренное расширение пространства, причем ускорение со временем будет лишь возрастать. В конце концов, Вселенная — и все ее части от галактик до атомных ядер — будет разорвана буквально в клочья.

«Если, например, допустить, что w = — 1,2, — говорит Колдуэлл, — то катастрофа произойдет через 53 миллиарда лет». План распада мироздания выглядит, по его сценарию, так:

Сперва из поля зрения скроются отдаленные галактические скопления.

За миллиард лет до Большого Разрыва станут невидимыми все галактические скопления.

За 60 миллионов лет до Большого Разрыва «погаснет» Млечный Путь. Звезды нашей Галактики удалятся на бесконечно большие расстояния друг от друга.

За три месяца до Большого Разрыва разлетятся вдаль планетные системы. Через некоторое время начнут распадаться черные дыры, теряя материю, что еще не достигла их центра.

За тридцать минут до Большого Разрыва лопнут планеты. Исчезнут все макроскопические объекты.

За 10-19 (десять в минус девятнадцатой степени) секунды до Большого Разрыва последовательно распадутся молекулы, атомы, атомные ядра, протоны и нейтроны. Видимая Вселенная исчезнет.

Справедливости ради заметим, что многие астрофизики скептически относятся к этому сценарию. По словам российского ученого, заведующего отделом ГАИШ Николая Шакуры, все новейшие наблюдения противоречат расчетам Колдуэлла.

Если же показатель «w» будет лежать, например, в пределах от -1 до -0,8, то Вселенная испытает коллапс — «Большой Хруст». Возможно, это событие станет лишь эпизодом в вечной череде становлений и возвращений. Сторонником подобного сценария, получившего название «Циклической Вселенной», является Пол Стейнхардт. Некоторое время эта гипотеза пребывала «в опале». Однако Андрей Линде, один из самых цитируемых за рубежом российских ученых, анализируя возможность создания теории «супергравитации» — теории, которая объединила бы все фундаментальные взаимодействия, в том числе гравитационную силу, — убедился, что эта теория предвещает коллапс Вселенной в ближайшие 20 миллиардов лет. «Несколько лет назад никто всерьез не задумывался о том, что Вселенная погибнет через 10—20 миллиардов лет. Если же предположение подтвердится, значит, наша Вселенная уже вступила в пору зрелости. Мы не способны изменить судьбу, но хотя бы знаем ее». Быть может, Вселенная уже начала сжиматься, но мы этого не замечаем?