Раздутая Вселенная

После нескольких лет триумфа теория Большого Взрыва столкнулась с рядом неразрешимых для нее проблем. Более того, удалось показать, что некоторые из этих проблем в принципе не разрешимы в ее рамках. Вскоре появилась новая теория, потом она получила признание, а потом и подтверждения

Большого Взрыва, возможно, и не было. Его «съела» инфляция...

Нобелевскую премию 2006 года по физике Королевская академия наук Швеции присудила двум американским ученым: Джону Матеру (John C. Mather) и Джорджу Смуту (George F.Smoot) за «открытие анизотропии реликтового микроволнового излучения Вселенной» (Джордж Смут) и «установление соответствия его спектра спектру абсолютно чёрного тела» (Джон Матер). За этой академической формулировкой Нобелевского комитета скрывается физико-космологическое достижение, которое может иметь далеко идущие последствия не только для узкого круга специалистов, но буквально для каждого человека, ибо оно затрагивает, прямо или косвенно, самые основы обыденного мировоззрения.

Современная наука «вдруг» совершила для самой себя ошеломляющее открытие: тот физический мир, который со времен Галилея и Ньютона считался областью неизменных и точных законов — «Универсумом», сам оказался подчиненным направленным во времени изменениям, у которых может быть «начало» и может быть «конец». Такую картину мира мы обнаруживаем в теории эволюционирующей Вселенной нашего соотечественника Александра Александровича Фридмана, разработанной им в 1920-е. Главный результат этого открытия — эволюция наблюдаемого мира. Особенность теории эволюционирующей Вселенной Фридмана заключалась в том, что описываемая в ее рамках Вселенная с необходимостью рождалась из так называемой начальной космологической сингулярности.

В богословском прочтении космологическая сингулярность была интерпретирована как «первая точка», «первый миг» рождающейся Вселенной. Поскольку в сингулярности время и пространство равны нулю, а плотность «вещества» и «энергии» почти бесконечна, постольку можно говорить о возникновении Вселенной из такой сингулярности как возникновении «из ничего». Уже после смерти Александра Фридмана и после своего первого наблюдательного подтверждения Эдвином Хабблом (Edwin Hubble, 1889–1953) в 1928-1929 годы она получила название «теория Большого Взрыва» (Big Bang). А в 1964–1965 годы эту теорию подтвердило открытие американских астрофизиков Пензиаса (Arno Penzias) и Вилсона (Robert Woodrow Wilson), обнаруживших «далекое эхо Большого Взрыва» — микроволновое реликтовое излучение.

Однако после нескольких лет триумфа теория Большого Взрыва сама столкнулась с рядом неразрешимых для нее проблем. Она не смогла ответить на вопрос, почему пространство наблюдаемой Вселенной «плоское», то есть почему сумма углов любого треугольника, вписанного в сферу радиусом 10²⁸ см, равна 180°, не больше и не меньше. Теория не могла объяснить, почему положительно заряженных частиц во Вселенной больше, чем отрицательно заряженных. Более того, удалось показать, что некоторые из подобных проблем неразрешимы в рамках этой теории в принципе. Для их решения нужна была другая теория.

Вторая половина ХХ века увидела невероятную активность ученых по созданию множества теорий происхождения Вселенной. Не многие из них прошли даже первое серьезное обсуждение среди коллег. Самой «стойкой» оказалась та, согласно которой рождение Вселенной начинается не со «взрыва», а с «раздувания» (инфляции) физического вакуума. Первым к этой идее пришел в 1979 году российский космолог Алексей Александрович Старобинский, а окончательный вид теория приобрела в работах американских ученых Алан Гуса (Alan Guth), Андреаса Альбрехта (Andreas Albrecht), Пола Стейнхарда (Paul Steinhardt) и российского ученого Андрея Дмитриевича Линде.

Основная особенность инфляционного сценария заключалась в том, что Вселенная зарождается в вакууме, не содержащем ни одной элементарной частицы, и по мере ее «раздувания» (увеличения ее радиуса) до гигантских размеров плотность энергии вакуума не меняется. В этой «пустоте» не было ни частиц, ни излучения — никаких классических форм существования вещества! Потом «инфляция» кончается, и Вселенная развивается так, как предсказывает фридмановская теория. Получается, что Вселенная рождалась в два приема, проходя стадию «увеличения объема», заполненного физическим полем, но не содержащим ни вещества, ни излучения, и стадию появления вещества и излучения и последующего образования из него звезд, галактик, планет и всего прочего. И наличие первой подготовительной стадии, оказывается, влечет за собой много важных последствий. Например, наша Вселенная должна иметь размер около 10^10000000000 см, а те 10²⁸ см, которые считались ее размером до того, — всего лишь ее наблюдаемая часть, область, открытая зрению простых «земных наблюдателей». Кроме того, инфляционная теория предсказывала, что в крупных масштабах Вселенная должна быть анизотропной, и, в частности, наблюдая реликтовый микроволновый фон в разных направлениях, мы будем видеть не одну и ту же картину — где-то температура этого фона чуть выше, где-то чуть ниже.

Сторонники теории Большого Взрыва отнеслись к новой теории настороженно. Она казалась им «фантастической гипотезой», лишенной малейших оснований. Но в 2001 году, спустя всего 20 лет после своего выдвижения она получила первое наблюдательное подтверждение: предсказанную ею анизотропию реликтового фона в крупных масштабах обнаружил запущенный в 1989 году спутник СОВЕ (Cosmic Background Explorer). С помощью спутника удалось установить, что спектр реликтового излучения с точностью до 10^–150 соответствует спектру излучения абсолютно чёрного тела с температурой 2,725 К.

В сущности, казалось бы, всё так и должно быть: разработка сценариев происхождения Вселенной, поиски их подтверждения, получение подтверждения, заслуженный триумф. Однако загадка рождения мира дала себя знать в очередной раз и с новой силой. Еще в 1983 году Андрей Линде предположил, что вакуум — это хаотически распределенное скалярное поле. Его особенность — в способности порождать новые области, а в них существует огромное множество — по некоторым оценкам около 100000 — миров, подобных и неподобных нашему, которые рождаются, достигают определенных размеров, потом опять гибнут, и этот процесс не будет иметь конца, а возможно и не имел начала. Если справедлива инфляционная теория, то, может быть, когда-нибудь подтвердится и гипотеза Линде?

И опять это звучит фантастически! И скепсис сомневающихся не лишен оснований: действительно, как подтвердить существование соседних Вселенных, если мы в своих наблюдениях не можем выйти даже за световой горизонт — область 10²⁸ см? Всё так! Но ведь и Александр Фридман в свое время к собственной гипотезе отнесся весьма критически. А некоторые ведущие физики разделяли подобный скептицизм даже после открытия Хабблом «красного смещения» в спектрах удаленных галактик. Возникает естественный вопрос: а достаточно ли одного подтверждения (как, например, в случае с открытием анизотропии реликтового фона) для того, чтобы ту или иную модель Вселенной считать полноценной теорией? Можем ли мы окончательно утверждать, что инфляционный сценарий адекватен наблюдаемой Вселенной? Время покажет.