Наверное, самым интересным и сложным вопросом за всю историю существования людей разумных можно считать вопрос «откуда это всё взялось?» Одни из самых древних мифов связаны с сотворением мира, людей и всего остального. В разных местах мифы эти были разными и рассказывались по-разному. И только с относительно недавнего времени в решении этого вопроса появились проблески – например, идея о том, что можно искать ответ на него, изучая Вселенную. Научные измерения понемногу начали решать загадки, ставившие в тупик философов, теологов и мыслителей всех мастей.
В XX веке появились сразу общая теория относительности (ОТО), квантовая физика и теория Большого взрыва, сопровождавшиеся замечательными успехами как в наблюдениях, так и в экспериментах. Эти платформы позволили нам создать теории, которые мы затем смогли проверить и подтвердить, отвергнув остальные. Однако некоторые особенности – в частности, определённые аспекты теории Большого взрыва – оставались нерешёнными, и нам пришлось идти дальше, исследуя эти проблемы всё глубже. В итоге мы пришли к неутешительному выводу, к которому привыкаем по сей день – в наблюдаемой части космоса уже нет никакой информации о самом начале Вселенной. И вот почему это так.
В 1920-х годах, сто лет назад, сразу два наблюдения навсегда изменили представление учёных о Вселенной. Группа астрономов под руководством Весто Мелвина Слайфера изучала спектральные линии различных звёзд и туманностей, особенности линий испускания и поглощения. Атомы всей Вселенной должны быть одинаковыми, и поэтому электронные переходы тоже не должны отличаться друг от друга, как и их спектры испускания и поглощения. Однако у некоторых из этих туманностей, в особенности спиральных и эллиптических, оказались чрезвычайно сильные красные смещения, соответствовавшие высоким скоростям убегания – их скорость была больше, чем у чего-либо ещё в нашей Галактике.
С 1923 года Эдвин Хаббл и Милтон Хьюмасон начали измерять параметры отдельных звёзд в этих туманностях, пытаясь определить расстояние до них. Оказалось, что они находятся далеко за пределами Млечного Пути – в большинстве случаев это были расстояния в миллионы световых лет. Скомбинировав расстояния и красные смещения, можно было получить неизбежный вывод, теоретически подтверждавшийся ОТО Эйнштейна: Вселенная расширялась. Чем дальше находилась галактика, тем быстрее она отдалялась от нас.
Если Вселенная сейчас расширяется, тогда получается, что:
- Плотность Вселенной постоянно уменьшается, поскольку фиксированное количество материи занимает всё больше и больше пространства.
- Вселенная охлаждается, поскольку свет внутри неё растягивается, увеличивая длины волн.
- Галактики, не связанные вместе гравитацией, со временем разлетаются.
Первоначальные наблюдения Хаббла от 1929 года, говорившие о расширении Вселенной, дополнились более детальными, но всё равно ещё не очень точными наблюдениями. Однако график из работы Хаббла определённо демонстрирует наличие отношения расстояния к скорости расширения, и содержит данные, которых у его предшественников не было. Современные эквиваленты этого графика заглядывают гораздо дальше. Видно, что пекулярные скорости — скорости объекта относительно некой покоящейся системы координат — есть даже на далёких расстояниях, однако важной тут является основная тенденция.
Эти примечательные факты позволяют нам экстраполировать то, что случится со Вселенной с неумолимым течением времени. Однако те же законы физики, что позволяют нам заглянуть в будущее, позволяют нам также узнать, что случилось в прошлом. Если сегодня Вселенная расширяется, охлаждается и становится менее плотной, значит в прошлом она была меньше, горячее и плотнее.
Идея Большого взрыва заключается в том, чтобы экстраполировать этот процесс как можно дальше в прошлое: к ещё более горячим, плотным и однородным состояниям. В результате были получены интересные предсказания:
- более далёкие галактики должны быть меньше по размеру и массе, их количество должно быть больше, и в них должны преобладать горячие голубые звёзды;
- чем дальше во времени мы заглядываем в прошлое Вселенной, тем меньше там должно быть тяжёлых элементов;
- у Вселенной должно было существовать время, когда она была слишком горячей для формирования нейтральных атомов (и с тех времён должно существовать остаточное излучение, на сегодня уже сильно охладившееся);
- в какой-то момент эволюции Вселенной атомные ядра должны были разбиваться излучением сверхвысоких энергий, и должны были существовать только изотопы водорода и гелия.
Все эти предсказания были подтверждены наблюдениями. Остаточное излучение, которое сначала называли «первобытным огненным шаром», теперь известно под названием реликтового излучения, и было открыто в середине 1960-х. Оно считается одним из главных доказательств правильности теории Большого взрыва.
Вы можете решить, что учёные в состоянии экстраполировать Большой взрыв сколько угодно далеко в прошлое, до тех пор, пока вся материя и энергия Вселенной не сконцентрируются в одной точке. Вселенная достигнет бесконечных показателей температуры и плотности, создав физическое состояние, известное как сингулярность. В таком состоянии известные нам законы физики уже перестают давать осмысленные предсказания и не могут считаться рабочими.
После тысячи лет поисков мы, наконец, добрались до происхождения Вселенной. Она началась с Большого взрыва, случившегося некоторое конечное время назад, и соответствующего образованию пространства и времени. Всё, что мы наблюдаем, стало последствием этого события. Впервые у нас появился научный ответ, из которого следует не только наличие у Вселенной начала, но и её точный возраст. Как сказал Жорж Леметр, первый человек, описавший физику расширяющейся Вселенной, это был «день, предшествующего которому не было».
Вот только у нас оставались ещё вопросы, возникающие из этой теории, и не находящие в ней ответа.
Почему у разных участков Вселенной, не связанных друг с другом причинностью, наблюдаются одинаковые температуры?
Почему скорость изначального расширения Вселенной (расширяющей её) и общее количество энергии (борющееся с расширением при помощи гравитации) оказались идеально сбалансированными на первых этапах, с точностью до 50-го знака после запятой?
И почему, если такие сверхвысокие температуры и плотности наблюдались в прошлом, в сегодняшней Вселенной не существует остатков всего этого?
В 1970-х годах лучшие физики и астрофизики бились над этими задачами, выдумывая им теоретические объяснения. Затем в конце 1979 года молодой теоретик Алан Харви Гут дал блестящую идею, изменившую историю этого вопроса.
Он выдвинул теорию космической инфляции, постулировав, что, возможно, идея Большого взрыва позволяет хорошо экстраполировать эволюцию Вселенной до определённой точки в прошлом, перед которой случился период инфляции, приведший в итоге к Большому взрыву. Вместо произвольно высоких температур, плотностей и энергий, теория космической инфляции говорит, что Вселенная не была заполнена материей и излучением. В ней содержалось большое количество энергии, присущей самой ткани пространства. Это заставило Вселенную экспоненциально расширяться с определённой скоростью, и вывело её в итоге к плоскому, пустому и однородному состоянию.
А уже в конце инфляции энергия, присущая самому пространству, и одинаковая везде и повсеместно, за исключением квантовых флуктуаций, превратилась в материю и энергию – и вот вам Большой взрыв.
Квантовые флуктуации, происходившие во время инфляции, растянулись по всей Вселенной, и по её окончании стали флуктуациями плотности материи. Со временем это привело к формированию крупномасштабной структуры Вселенной, а также к температурным флуктуациям, наблюдаемым сегодня в картине реликтового излучения.
Ход был отличный – он позволил убедительно объяснить наблюдаемые свойства Вселенной, которые не могла объяснить теория Большого взрыва. У причинно не связанных участков Вселенной одинаковая температура потому, что все они появились во время инфляции из одного участочка пространства. Скорость расширения и энергия были сбалансированы потому, что до Большого взрыва инфляция придавала Вселенной одинаковую скорость расширения и плотность энергии. А остатков высокой энергии не существует, поскольку Вселенная добралась до конечных температур только по окончании инфляции.
В свою очередь, инфляция давала некоторые новые предсказания, отличающиеся от теории Большого взрыва, не включавшей инфляцию. И мы могли проверить эти предсказания, подтвердив эту гипотезу или опровергнув. К 2020 году мы собрали множество данных, позволяющих это сделать.
Согласно этим предсказаниям, у Вселенной должен быть верхний, конечный предел температуры, которой она достигала во время горячего Большого взрыва. Квантовые флуктуации во время инфляции превратились в колебания плотности Вселенной, на 100% адиабатические (с постоянной энтропией). И эти флуктуации должны почти, но не идеально, не зависеть от масштаба. На большее крупных масштабах их значения должны быть чуть больше, чем на мелких.
Флуктуации реликтового излучения зависят от первоначальных, порождённых инфляцией. В частности, плоскую часть графика на крупных масштабах (слева) нельзя объяснить ничем, кроме инфляции. Эта часть представляет зародыш, из которого появилась характерная картина максимумов и минимумов, сформировавшаяся в первые 380 000 лет существования Вселенной. И на малых масштабах, в правой части графика, уровень анизотропии лишь на несколько процентов меньше, чем в левой части – на крупных масштабах.
При помощи данных, полученных с таких спутников, как COBE, WMAP и Планк, мы проверили эти предположения, и оказалось, что инфляционная теория соответствует наблюдениям. Это значит, что Большой взрыв стал не началом всего, а только началом известной нам Вселенной. До Большого взрыва была космическая инфляция, которая в какой-то момент закончилась и породила горячий Большой взрыв, причём сегодня мы можем наблюдать следы этой инфляции.
Но только лишь следы крохотного промежутка этой самой инфляции – возможно, последние 10-32 секунды. Может быть, инфляция столько и длилась. Может быть, она шла гораздо дольше. Возможно, что инфляция длится вечно, а может быть, она была чем-то мимолётным, порождением какого-то другого процесса. Возможно, что Вселенная родилась из сингулярности, или появилась в результате циклического процесса, или существовала всегда. Но информации об этом в наблюдаемой Вселенной нет. Природа инфляции приводит к стиранию всего того, что существовало до неё.
Инфляция – это космическая «перезагрузка». Что бы там ни существовало до инфляции, всё это так быстро расширяется, что в итоге появляется только пустое однородное пространство с квантовыми флуктуациями. По окончании инфляции крохотный объём этого пространства – размером от человека до городского квартала – превращается в наблюдаемую Вселенную. Всё остальное, включая всю информацию, которая позволила бы нам воссоздать происходившее до этого момента, навсегда оказывается за пределами доступного.
Одним из примечательных достижений науки является то, что мы можем заглянуть в прошлое на миллиарды лет и понять, когда и как наша Вселенная стала такой, какой мы её видим. Но получение ответов на эти вопросы, как это часто бывает, породило лишь новые вопросы. И некоторые из этих новых загадок могут навсегда остаться неразгаданными. Если этой информации в нашей Вселенной нет, должна будет произойти какая-то серьёзная революция, чтобы мы узнали – откуда же всё это взялось.
