[Перевод] Спросите Итана №49: отвергают ли космические неизвестные теорию Большого взрыва?

Нам неизвестна природа ни тёмной материи, ни тёмной энергии, составляющих 95% нашей Вселенной. Значит ли это, что теория Большого взрыва подлежит сомнению?

Если в вашей теории есть бесконечности – именно в этих местах она и перестаёт описывать реальность. Если космос родился из Большого взрыва, и при этом бесконечен, нам приходится верить, что он мгновенно стал бесконечно большим. А это абсурд.
— Жанна Левин

Это в некотором роде чудо, что несмотря на все наши знания, добытые с помощью научных исследований, мы всё ещё сталкиваемся с вопросами, на которые у нас нет ответов. И каждую неделю вы стараетесь огорошить меня в моей еженедельной колонке своими вопросами и предложениями. На этой неделе читатель jlnance спрашивает:

Учёные уверены, что понимают эволюцию Вселенной прямо от самого начала большого взрыва. И они уверены, что Вселенная состоит из тёмной материи, чей состав неизвестен, и что её динамика управляется тёмной энергией, которая также изучена слабо (это что,- новая сила?)

И как же тогда возможно сделать экстраполяцию до Большого взрыва, если о материи и силе во Вселенной известно так мало?

Это важный вопрос, которы стоит себе задавать каждый раз после получения новых фактов: “Правилен ли теперь наш старый образ мышления?” Давайте выясним.

Следует напомнить, откуда появилась теория Большого взрыва. Исторически произошло несколько событий, заложивших фундамент того понимания, которое мы выработали сейчас. События следующие:

Была разработана общая теория относительности,- новая теория гравитации,- и её предсказания подтвердились. Изначально она должна была объяснить орбитальную прецессию Меркурия вокруг Солнца, но потом она предсказала большой набор феноменов, и все они были подтверждены, в том числе – отклонение света далёких звёзд массой, гравитационное красное смещение, замедление времени из-за гравитации, уменьшение орбиты близко расположенных масс, и многое другое.

Было установлено, что галактики – это объекты вне Млечного пути. Изначально их считали туманностями, регионами формирования звёзд, расположенными всего в десятках тысяч световых лет. Но комбинация очень больших скоростей, говоривших об отсутствии гравитационной связи с Млечным путём, и различение внутри них отдельных звёзд позволили нам прийти к выводу об их удалённости в миллионы световых лет.

Галактики во Вселенной, расположенные достаточно равномерно во всех направлениях и на всех расстояниях, удаляются от нас. Скомбинировав красное смещение (скорость удаления) и расстояние до них (полученное наблюдением за отдельными звёздами), мы пришли к закону Хаббла, согласно которому, чем дальше от нас галактика, тем быстрее она от нас отдаляется.

Совместив эти данные с ОТО, мы получили, что вместо Вселенной, где все галактики разбегаются от нас, как от эпицентра взрыва, Вселенную, которая расширяется, и в которой постоянное появляется новое пространство между галактиками, увеличивая расстояние между ними. Для интересующихся техническими деталями скажу, что все изотропные гомогенные пространства-времена (решения ОТО, одинаковые во всех направлениях и расстояниях), должны содержать либо сжимающееся, либо расширяющееся пространство.

Один из возможных выводов из этого (хотя и не единственный) – в прошлом Вселенная была горячее и плотнее, и она будет охлаждаться и разрежаться со временем. Это и есть идея Большого взрыва. Это значит, что Вселенная расширяется, и красное смещение тем больше, чем дальше от нас объект, поскольку раньше она была горячее и плотнее.

Длины волн были короче, а значит, и энергии было больше. Материя и радиация находились ближе друг к другу, и столкновения были не только сильнее, но и чаще. Если это так, из этого следуют очень серьёзные выводы.

1) В пространственном отношении Вселенная была равномерной. Поскольку гравитация становится сильнее, если собрать вместе больше массы, то сегодня Вселенная более комковатая, чем была раньше. Значит, когда-то не было галактических суперкластеров, галактик, и даже звёзд. Значит, раньше не только разница в плотности разных районов была не такой сильной, но и тяжёлых элементов не существовало, потому что они синтезируются только внутри звезд, которых когда-то давно еще не было.

2) Когда-то она была достаточно горячей для того, чтобы в ней не могли формироваться атомы. Достаточно сильные и частые столкновения между фотонами и атомами выбивают электроны с орбит. Экстраполируя в прошлое, можно заключить, что сначала невозможно было сформировать стабильный атом, чтобы он сразу не ионизировался каким-нибудь фотоном.

3) Когда-то она была такой горячей, что даже атомное ядро не могло сформироваться. И, хотя ядерные силы примерно на шесть порядков больше атомных, Вселенная изначально была настолько горячей и плотной, и, значит, было время, когда она представляла собой море протонов, нейтронов и электронов. Затем, охлаждаясь, она прошла через фазу, когда протоны и нейтроны могли соединяться. Это должно было привести к появлению определённого количества лёгких элементов и изотопов – дейтерия, гелия-3, гелия-4 и лития-7. Их количество и пропорции определяются пропорцией барионов (протонов и нейтронов) к фотонам, имеющимся во Вселенной.

Если у вас есть обычная материя (протоны, нейтроны, электроны) и излучение, и теория Большого взрыва верна, то мы сможем увидеть доказательства всех трёх выводов. Конкретно, будет остаточное свечение от излучения с ранних стадий Вселенной – почти идеально изотропное и гомогенное, и всего лишь на несколько градусов теплее абсолютного нуля.

Также будут присутствовать облака древнего газа, где звёзды не сформировались со времён Большого взрыва. И мы должны суметь определить количество элементов и изотопов с ранних стадий развития.

И, наконец, мы должны увидеть флюктуации в остаточном свечении, хотя и незначительные.

Кроме того, мы должны увидеть эволюцию в структуре и химическом составе Вселенной, где более старые и близкие регионы состоят из более крупных скоплений и имеют большую плотность тяжёлых элементов.

Мы не приняли бы теорию Большого взрыва если бы мы не наблюдали всех этих феноменов – но мы их наблюдаем. Никакая другая теория не может предсказать эти вещи или поспорить с теорией Большого взрыва.

Вернёмся к основному вопросу: Большой взрыв не предсказал ни тёмную энергию, ни тёмную материю. Есть ли в этом проблема?

Всё, что я описал выше, было бы правдой вне зависимости от того, что ещё можно найти во Вселенной. Единственное, что меняет наличие тёмной энергии и тёмной материи – это следующее:

Тёмная материя влияет на некоторые детали формирования структуры. В частности, поскольку она так же, как и материя, комкуется, но при этом не взаимодействует через столкновения ни с собой, ни с обычной материей, ни с излучением – её присутствие изменяет размер и количество малых галактик, больших галактик, и то, как они кластеризуются. Также это влияет на спектр флюктуаций микроволнового космического излучения.

Но даже когда тёмной материи в пять раз больше, чем обычной, вся остальная история не меняется.

Тёмная энергия влияет на скорость космического расширения ближе к текущему моменту жизни Вселенной. О её существовании начали догадываться ещё в 1933 году, но неудивительно, что эту идею не рассматривали всерьёз до 1990-х годов: требуются очень точные измерения расстояний порядка десяти миллиардов световых лет, чтобы только начать видеть её влияние на развитие Вселенной.

Поэтому, хотя тёмная материя и тёмная энергия составляют большую долю энергетического наполнения Вселенной,- тёмная материя занимает 26%, тёмная энергия – 69%,- они не представляют трудностей для теории Большого взрыва.

В принципе, во Вселенной могло быть что угодно или всё сразу из следующего списка (отсортированного по порядку от наивысшего положительного давления до наименьшего отрицательного):

• излучение в виде безмассовых частиц
• нейтрино
• обычная материя (протоны, нейтроны, электроны)
• тёмная материя
• топологические дефекты точечных частиц (магнитные монополи)
• космические струны
• значительное искривление пространства
• границы доменов
• космические текстуры
• космологическая константа
• тёмная энергия, нарушающая условие слабой энергии, ведущая к «Большому разрыву»

У нас есть излучение, нейтрино и материя, и об этом было известно почти сто лет. А всё остальное? Вроде бы есть тёмная материя и космологическая константа в виде особой формы тёмной энергии. Больше, наверно, ничего.

Можно, конечно, посмотреть на это с точки зрения «Большой взрыв такого не предсказывал», но Большой взрыв – это не окончательный ответ в истории Вселенной, а лишь часть истории.

Всегда будет то, чего мы еще не знаем, так что космическая инфляция, тёмная материя и тёмная энергия не представляют собой проблемы для Большого взрыва – они лишь показывают нам ограничения этой теории, и рассказывают нам полную историю Вселенной.