Что было до Большого взрыва?

 

Вначале был «ложный вакуум», как гласит стандартная история. Это было необычное свойство — отталкивающая гравитация — так это «раздувалось».

 

Чем больше вакуума, который был создан, тем сильнее отталкивающая гравитация, и тем быстрее вакуум расширялся. Все быстрее и быстрее.

 

Чем больше вакуума создано, тем больше энергии накапливается. Энергия из ничего — еще одно удивительное свойство. «Основной бесплатный завтрак».

 

Но ложный вакуум был нестабилен. Его части распались случайным образом до «истинного» вакуума — нашего вакуума. Представьте себе пузыри, образующиеся в безбрежном океане.

 

Энергии ложного вакуума надо было куда-то идти. Это привело к возникновению материи в пузырях-вселенных и нагреванию ее до огромных температур. Произошел горячий Большой взрыв!

 

В этой «инфляционной» картине наша Вселенная является лишь одной из огромного числа, навсегда разделенных постоянно растущими пространствами ложного вакуума.

 

Когда инфляция практически исчерпала себя, началось нормальное расширение. Сравните взрыв динамитной шашки с расширением при взрыве водородной бомбы.

 

Откуда появился высокоэнергетический ложный вакуум? Квантовая теория допускает появление энергии из ничего (неопределенность Гейзенберга)[29].

 

Возможно, когда появилась малая часть ложного вакуума, то началось расширение. Инфляция непобедима, поскольку вакуум расширяется быстрее, чем съедается.

 

Очевиден следующий вопрос: каковы же законы физики (квантовая теория), которые позволяют энергии спонтанно рождаться из ничего?

 

Бесконечный регресс. Может быть, это не лучше, чем заявлять, что Вселенная покоится на спине черепахи. Тогда возникает вопрос: а на чем стоит черепаха?

 

Как сказала дама на лекции Бертрана Рассела по космологии: «Вы очень умны, молодой человек. Но эта черепаха все время падает!»

 

Как быстро расширяется Вселенная?

 

Степень расширения Вселенной количественно определяется постоянной Хаббла. Лучшая современная оценка: 73 (км/с)/мегапарсек (1 Мпк = 3,26 млн световых лет).

 

Это означает, что галактики, расположенные в 3,26 млн световых лет друг от друга, удаляются со скоростью 73 км/с из-за расширения от Большого взрыва.

 

Однако Вселенная не всегда расширялась с такой скоростью, с какой она расширяется сегодня. Фактически у скорости расширения была пестрая история.

 

Наивно было думать, что Вселенная быстро расширилась от Большого взрыва и замедлялась с этого момента, поскольку расширение заканчивается конденсацией. Все гораздо сложнее.

 

Первоначально был только вакуум. Он «раздулся» с феноменальной скоростью, удвоив размер Вселенной по крайней мере в 60 раз в первые доли секунды.

 

Когда «инфляция» закончилась, огромная энергия вакуума была вброшена в создание материи и нагревание ее до огромных температур. Это был горячий Большой взрыв.

 

После инфляции Вселенная расширялась с гораздо меньшей скоростью, постепенно уменьшающейся из-за тормозящего действия галактик, придерживающих друг друга.

 

Но в последнее время — в течение последних нескольких млрд лет — налицо большой сюрприз. Расширение Вселенной, которое было замедлено, ускорилось снова.

 

Астрономы полагают, что пустое пространство содержит странный вид энергии. Отталкивающая гравитация этой «темной энергии» ускоряет расширение Вселенной.

 

Очевидный вопрос: есть ли связь между растущей инфляцией и увеличением темной энергии? Никто не знает.

 

Если управляемое темной энергией расширение продолжится, то оно раздвинет галактики. К 100-млрдному году н. э. в наблюдаемой Вселенной останется только галактика Млечный Путь.

 

Почему небо ночью темное?

 

Первым человеком, который задал этот вопрос, в 1610 был Йохан Кеплер, главный математик императора Священной Римской империи.

 

В Падуе Галилео с помощью новомодного телескопа показал звезды, невидимые невооруженным глазом. Он задался вопросом: Что, если звезды движутся всегда?

 

Так же как если бы вы изучали густой сосновый лес и увидели бы только деревья, при изучении Вселенной вы должны видеть только звезды.

 

Кеплер заключил: вопреки ожиданиям, ночное небо должно быть не черным, а столь же ярким, как поверхность типичной звезды. Таким же ярким, как Солнце!

 

Фактически, типичные звезды — «красные карлики» — составляют 70 % всех звезд; таким образом, ночное небо должно быть как кровь, красным от горизонта до горизонта.

 

Загадка, почему ночное небо темное, а не яркое, стала известной как парадокс Ольберса, в честь немецкого астронома XIX в., который популяризировал этот факт.

 

Эдгар Аллан По предложил наиболее правдоподобное объяснение. Вероятно, небо темное потому, что свет от самых далеких звезд еще не прибыл на Землю.

 

Идея Эдгара По поддерживается открытием конечного возраста Вселенной. Мы видим только те объекты, свет от которых идет менее 13,7 млрд лет, чтобы добраться сюда.

 

Но не Большой взрыв объясняет парадокс, потому что — ну, нет никакого парадокса! Даже в бесконечно старой Вселенной ночное небо не будет ярким.

 

Кеплер молчаливо предположил, что звезда может гореть вечно и может отдавать неограниченное количество света в пространство. А это неправильно.

 

В самом деле, даже если бы все звезды во Вселенной обратили все свое топливо в звездный свет, этого было бы недостаточно, чтобы заполнить пространство и сделать ночное небо Земли светящимся.

 

Представьте ванну со слишком малым количеством воды, чтобы заполнить ее. Со Вселенной то же самое. Звезды просто содержат слишком мало энергии, чтобы наполнить все небо светом.

 

Кто бы мог подумать, что темнота ночного неба была загадкой на протяжении 400 лет и вызвала столько космологических гипотез!

 

Что такое темная материя?

 

Никто не знает. В отличие от обычной материи (атомов) она не выделяет света или дает слишком мало света для того, чтобы быть обнаруженной с помощью наших лучших современных инструментов.

 

Она перевешивает видимую материю Вселенной — звезд и галактик — в шесть-семь раз.

 

Мы знаем о ее существовании потому, что ее гравитация тянет видимые звезды, заставляя их двигаться, как если бы в их составе присутствовало больше материи, чем мы можем видеть.

 

Первые доказательства «недостающей массы»: слишком быстрые вертикальные перемещения звезд в диске Млечного Пути обосновал в 1932 Ян Оорт — влиянием невидимой материи.

 

Затем в 1934 Фриц Цвики обнаружил, что галактики в скоплениях вращаются вокруг центра скопления слишком быстро, как бы реагируя на силу тяжести невидимого материала.

 

В 1980-х Вера Рубин обнаружила звезды на окраине спиральной галактики, вращающиеся слишком быстро. Как дети на ускоряющейся карусели, они должны были бы улететь.

 

Звезды не улетают в межгалактическое пространство, утверждают астрономы, потому что они удерживаются гравитацией невидимой темной материи.

 

Каждая спиральная галактика, включая наш Млечный Путь, считается встроенной в гигантское сферическое гало темной материи, намного превосходящей массу звезды.

 

Природа темной материи — одна из величайших загадок физики. Есть разгадка, одобренная большинством ученых: до сего времени не открытая субатомная частица.

 

Так как темная материя существует повсеместно, она должна быть и в пределах Земли. Для ее обнаружения проведено несколько экспериментов в шахтах.

 

Существует реальная возможность, что претендент на звание носителя темной материи будет найден с помощью Большого адронного коллайдера — гигантского ускорителя частиц недалеко от Женевы.

 

Тот, кто отгадает загадку темной материи, несомненно, заслужит Нобелевскую премию.

 

Что такое темная энергия?

 

Она «невидима»[30]. Заполняет все пространство. И характеризуется отталкивающей гравитацией, которая ускоряет расширение Вселенной.

 

Темная энергия обнаружена в 1998 двумя группами — одна во главе с американцем Саулом Перлмуттером и другая — австралийцами Ником Сантцеффом и Брайаном Шмидтом.

 

«Стандартные свечи», характеризующие свечение сверхновых в удаленных областях Вселенной, слабее, чем ожидалось, — звезды должны располагаться дальше, чем при нормальном расширении пространства.

 

Вопреки всем ожиданиям, космическое расширение ускоряется (должно быть замедление из-за «тормозящего» действие гравитации между галактиками).

 

Само пространство должно содержать своего рода «упругий» материал — темную энергию, борющуюся с гравитацией, которая пытается собрать все галактики вместе.

 

Темная энергия является основным компонентом Вселенной. На ее долю приходится примерно 73 % всей космической массы-энергии (темной материи 23 %, обычной материи 4 %).

 

Невероятно — найти основную составляющую Вселенной только в 1998. Урок для физиков, которые еще в XIX в. утверждали, что в физике практически не осталось нерешенных задач.

 

На самом деле темная энергия очень разрежена. Но эффект накапливается. Объясняет, почему незаметен на Земле, в то время как он властвует над космическими объемами.

 

Без сомнения, темная энергия является одним из самых неожиданных открытий в истории науки. Кроме того, одним из самых непостижимых.

 

Квантовая теория дала нам компьютеры и лазеры и ядерные реакторы; понимание того, почему Солнце светит и почему земля под нашими ногами твердая…

 

…Но затем квантовая теория используется для прогнозирования энергии вакуума — темной энергии — и дает число 1 со 120 нулями — это намного больше, чем то, что мы наблюдаем.

 

Темная энергия представляет самое большое расхождение между предсказанием и наблюдением в истории науки. Что-то не так?

 

Большинство физиков считают, что отсутствует «руководящая идея». И только тогда, когда кто-то найдет ее, мы сможем, наконец, понять темную энергию.