Наука плоского мира IV: Судный день - Терри Пратчетт

Что ж, такова традиционная история, однако она требует неявного допущения. Чтобы вывести формулу, выражающую зависимость формы и размера Вселенной от времени, специалисты по математической физике в начале двадцатого века искали лишь сферически симметричные решения уравнения поля. Благодаря этому допущению, число пространственных переменных уменьшается с трех до одной, выражающей расстояния от центра. В качестве приятного побочного эффекта оно также помогает упростить уравнения поля, которые в этом случае можно решить в явном виде. Неочевидное предположение о сферической симметрии «Вселенная должна быть одинаковой в любой точке» не имеет под собой твердого основания. Эйнштейн настаивал на том, что везде должны действовать одни и те же законы, но это вовсе не означает, что одинаковым должно быть и поведение. Планеты и вакуум, к примеру, тоже подчиняются одним и тем же законам.

С появлением компьютеров стало ясно, что число решений эйнштейновых уравнений поля невообразимо велико даже бесконечно велико, в зависимости от выбора начальных условий и лишь немногие из них обладают сферической симметрией. Пространство может расширяться в одних областях, сжиматься в других или закручиваться, как в водовороте. Его поведение может меняться со временем. Так что хотя расширяющаяся Вселенная и является одним из возможных решений уравнения поля, предсказываемое ей расширение справедливо не более, чем уверенный прогноз дождя на завтра, основанный на одной лишь возможности дождя как решения погодных уравнений.

Несколько лет тому назад в мире царила безмятежность. Теория Большого взрыва удовлетворяла результатам всех важнейших наблюдений. В частности, она предсказывала, что фоновое микроволновое излучение космоса должно иметь температуру около 3 градусов по абсолютной шкале. Очко в пользу Большого взрыва.

Но по мере продвижения исследований стали возникать трудности. Современная Вселенная содержит множество крупномасштабных структур громадных галактических прядей, окружающих еще более громадные пустоты наподобие пены в бокале пива, если считать, что галактики образуются на поверхности пивных пузырьков, а пустоты это заключенный внутри них воздух. Если проиграть события от настоящего к прошлому, то с учетом современных теорий возраст Вселенной составит около 13,5 миллиардов лет. С одной стороны, этот возраст слишком мал, чтобы объяснить скопление материи, существующее в настоящий момент. С другой стороны, он недостаточно велик, чтобы объяснить плоскую форму современного пространства.

Вторая трудность проистекает из наблюдаемых «кривых вращения» галактик. Галактики не вращаются подобно твердому объекту звезды, расположенные на разных расстояниях от центра, движутся с различными скоростями. Звезды, находящиеся в центральном утолщении галактики, движутся довольно медленно; более удаленные быстрее. Тем не менее, звезды, расположенные за пределами центрального утолщения, имеют примерно одинаковую скорость. Для теоретиков это загадка, поскольку гравитация как в теории Ньютона, так и в теории Эйнштейна требует, чтобы скорость движения звезд уменьшалась по мере их удаления от центра. Почти все галактики ведут себя таким неожиданным образом, что входит в противоречие с результатами многих наблюдений.

Третьей проблемой стало открытое в 1998 году ускоренное расширение Вселенной, которое согласуется с положительным значением космологической постоянной. В основе этого открытия, удостоенного в 2011 Нобелевской премии по физике, лежат наблюдения красного смещения в сверхновых типа Ia, выполненные группой High-Z Supernova Search Team (группа поиска сверхновых с высоким красным смещением).

Общепринятое в космологии решение этих проблем основано на трех дополнительных предположениях. Во-первых, это инфляция, в результате которой Вселенная увеличилась до колоссальных размеров за чрезвычайно короткое время. Количественные данные поражают воображение в промежутке между 10-36 и 10-32 секунд после Большого взрыва объем Вселенной возрос по меньшей мере в 1078 раз. Причиной такого быстрого роста взрыва, куда более внушительного, чем тот слабенький Большой взрыв, который положил всему начало стало, как утверждается, инфлатонное поле. (Не «инфляционное»: инфлатон это в общем, квантовое поле, вызывающее инфляцию). Теория отлично согласуется со множеством наблюдений. Главное затруднение состоит в отсутствии непосредственных фактов, подтверждающих существование инфлатонного поля.

Для решения проблемы галактических кривых вращения, специалисты по космологии выдвинули гипотезу о существовании темной материи. Это разновидность материи, которую нельзя обнаружить по испускаемому ей излучению, потому что такого излучения нет во всяком случае, его количество слишком мало, чтобы мы могли обнаружить его с Земли. Есть основания полагать, что значительная часть материи во Вселенной может быть недоступна для наблюдения, однако выводы, основанные на косвенных фактах, приводят нас к заключению о том, что темная материя, чем бы она ни была в действительности, не состоит из тех же самых фундаментальных частиц, с которыми мы имеем дело на Земле. Это довольно-таки чуждая нам форма материи, которая взаимодействует со всем остальным, главным образом, посредством силы тяготения. Пока что не было зафиксировано ни одной подобной частицы, но есть несколько конкурирующих гипотез насчет их вероятной природы на данный момент лидируют вимпы, или слабовзаимодействующие массивные частицы.

Ускоренное расширение Вселенной приписывается «темной энергии», которая по большом счету представляет собой лишь название для «чего-то, заставляющего Вселенную расширяться с ускорением» впрочем, справедливости ради стоит заметить, что к этому понятию прилагается детальный свойств, которыми должна обладать темная энергия и гипотезы о ее возможной природе. Одним из вариантов является космологическая постоянная Эйнштейна.

До недавнего времени эта троица богов из машины помогала устранить наиболее заметные расхождения между наивной теорией Большого взрыва и все более сложными наблюдениями. Несмотря на то, что все три концепции высосаны из пальца и не находят широкого подтверждения по результатам независимых наблюдений (за исключением тех фактов, для объяснения которых они и были придуманы), введение их в современную физику можно обосновать, исходя из практических соображений: они сработали, а их альтернативы по-видимому, нет. Теперь же мы все лучше осознаем тот факт, что первое утверждение уже не соответствует действительности, чего, к сожалению, не скажешь о втором. По мнению растущего в среде космологов меньшинства, три бога из машины это, как минимум, на два больше, чем нужно для комфортного существования.

Теперь мы понимаем, что если инфлатонное поле действительно существует, оно не включается ради нашего удобства всего на один раз, а затем перестает действовать, хотя именно такое допущение подразумевается в традиционном объяснении структуры Вселенной. Напротив, инфлатонное поле может проявлять себя многократно, в любое время и в любом месте. Это приводит к сценарию так называемой хаотической инфляции, при которой наша область Вселенной представляет собой всего лишь один из раздувшихся пузырьков в ванне, наполненной космической пеной. Очередной период инфляции может начаться в вашей гостиной уже сегодня днем и моментально раздуть ваш телевизор на пару с кошкой в 1078 раз.

Другая проблема заключается в том, что почти все инфляционные вселенные отличаются от нашей, а если ограничить начальные условия так, чтобы сходство все-таки имело место, то неинфляционная вселенная, которая с тем же успехом годится на эту роль, имеет гораздо большие шансы. По словам Роджера Пенроуза, подходящие начальные условия, не требующие инфляции, по своему количеству превосходят аналогичные условия инфляционных вселенных в гуголплекс раз десять в степени десять в степени сто. Так что объяснение, не связанное с инфляцией, хотя и требует крайне маловероятных начальных условий, само по себе гораздо более вероятно, чем любая инфляционная модель.

Все это время в научной среде находились «белые вороны», которые придумывали альтернативы стандартной модели, но теперь даже космологи, разделяющие общепринятую точку зрения, вынуждены переосмысливать известную им теорию. Недостатка в идеях нет. Некоторые модели обходятся без Большого взрыва; вместо него используется некий обновленный вариант теории стационарной Вселенной, при котором распределение материи, обладающее необходимой «комковатостью», может существовать на протяжении миллиардов лет или даже неограниченно долго. Красное смещение вызвано не расширением, а гравитацией. Для объяснения кривых вращения не нужна темная материя вероятно, этот эффект можно объяснить инерциальным релятивистским увлечением, при котором вращающаяся материя переносит с собой окружающее пространство.