Проблемы теории Большого взрыва

Из предыдущей главы мы узнали, как в 70-е годы XX века модель Большого взрыва подтвердилась практически с полной достоверностью. Однако в науке довольно часто бывает так, что модель, прекрасно согласующаяся со всеми данными и не имеющая видимой достойной альтернативы, все же сталкивается с некоторыми теоретическими или философскими проблемами. В конце концов, теория плоской Земли тоже когда-то согласовывалась со всеми данными наблюдений, доступными первобытным людям. А посмотрите только, как долго продержалась геоцентрическая модель Солнечной системы — не просто как миф, но как инструмент для точного предсказания движений планет. В 1980-х появляются рассмотренные далее теоретические проблемы, связанные с моделью Большого взрыва и признанные большинством космологов.

 

Проблема плоской Вселенной

Вспомним, что космологи выделяют параметр плотности Ω = ρ/ρ_c где ρ — средняя массовая плотность какого-либо компонента Вселенной, а ρ_c — критическая плотность, при которой Вселенная находится в точке равновесия между гравитационным коллапсом и бесконечным расширением. Если принять за ρ_c среднее значение плотности всех компонентов Вселенной, то Ω = 1 и Вселенная представляет собой плоскость, то есть в ней действует евклидова геометрия.

Но с этим есть одна проблема: согласно уравнениям Фридмана скорость расширения Вселенной определяется ее плотностью. Возьмем планковское время t = 10^-43 с. Если бы в это время Ω была больше единицы хотя бы на 1/10⁶⁰, Вселенная бы немедленно коллапсировала. Но при значении Ω меньше единицы хотя бы на 1/10⁶⁰ Вселенная расширялась бы так быстро, что ее видимая часть вскоре стала бы настолько разреженной, что в ней не смогла бы появиться жизнь. В модели Большого взрыва жизнь может существовать только при Ω = 1, с огромной точностью, и Вселенная должна быть в высшей степени плоской.

Это как раз один из тех параметров, в отношении которых христианские апологеты заявляют, что Бог-творец должен был провести точную настройку, чтобы сделать существование жизни возможным^{229}. В своей книге 2009 года «Жизнь после смерти: доказательства» (Life after Death: The Evidence)^{230}. Динеш Д'Суза цитирует «Краткую историю времени» Стивена Хокинга: «Если бы через секунду после Большого взрыва скорость расширения оказалась хоть на одну сто квадрилионную (1/100 000 000 000 000 000) меньше, то произошло бы повторное сжатие Вселенной и она никогда бы не достигла своего современного состояния»^{231}. УильямЛейн Крейг также ссылается на это утверждение в многочисленных дебатах^{232}.

 

Проблема горизонта

Если исследовать небо в двух противоположных от Земли направлениях, мы увидим, что температура и спектр реликтового излучения одинаковы в обеих областях. Из этого следует, что РИ исходит из двух источников, которые на каком-то более раннем этапе были причинно связаны, благодаря чему смогли взаимодействовать друг с другом и установить тепловое равновесие. Две точки в пространстве могут быть причинно связаны, только если у них было достаточно времени, чтобы сигнал смог дойти от одной к другой и обратно. По последним данным, эти точки сейчас находятся на расстоянии 93 млрд. световых лет друг от друга.

В главе 10 мы выяснили, что фотоны реликтового излучения начали свое направленное движение, когда Вселенная стала прозрачной для них на 380 000-м году своей жизни. Если применить стандартную модель Большого взрыва с линейным расширением по закону Хаббла, выяснится, что расстояние между двумя точками по разные стороны Вселенной во время, когда ей было 380 000 лет, должно было составлять около 84 млн. световых лет, как показано на рис. 12.1. Это намного больше того расстояния, которое мог преодолеть свет от момента Большого взрыва, следовательно, источники A и B никогда не вступали в связь, которая бы позволила им установить тепловое равновесие.

Рис. 12.1. Иллюстрация проблемы горизонта. Вдоль горизонтальной оси показано время, вдоль вертикальной — расстояние между двумя точками во Вселенной. Точки A и B на разных концах Вселенной в момент последнего рассеяния находились на расстоянии около 84 млн. световых лет друг от друга. Пути, проделанные фотонами, которые вышли из этих точек, показаны пунктирными линиями. В наши дни наблюдатели РИ регистрируют эти сигналы, идущие с двух противоположных направлений. Из-за расширения Вселенной сейчас они находятся на расстоянии 93 млрд. световых лет друг от друга. Коротким пунктиром обозначены световые лучи, показывающие, что области, которые могли воздействовать на точки A и B, никогда не были причинно связаны. Масштаб не соблюдается. Авторская иллюстрация

 

Проблема структуры

В главе 10 мы узнали, что космологи в течение многих лет силились объяснить, как в видимой Вселенной могли образоваться сложные структуры. Даже в рамках статической модели Вселенной это была довольно сложная проблема. В случае расширяющейся Вселенной все стало только хуже, ведь материя в ней рассеяна на большее расстояние, что делает еще менее вероятным гравитационный коллапс отдельных скоплений вещества.

 

Проблема монополей

В классической электромагнитной теории простейший электрический заряд представляет собой точечную частицу, электрическое поле которой можно показать наглядно в виде линий силы, расходящихся, как лучи, от центра. Два противоположных точечных заряда, положительный и отрицательный, формируют электрический диполь. Следовательно, отдельный точечный заряд можно назвать электрическим монополем. Существуют также квадруполи, октуполи и т. д. Если взять электрический диполь и растащить заряды в разные стороны, получатся два электрических монополя.

Магнитный брусок представляет собой пример магнитного диполя с северным и южным полюсами. Но если вы разделите магнитный диполь надвое, то не получите два магнитных монополя, вместо этого у вас появятся еще два диполя. В классической теории не существует магнитных монополей, и ни один до сих пор не удалось обнаружить экспериментально.

Как заметил в 1894 году французский физик Пьер Кюри, отсутствие магнитных монополей — это единственное различие между электричеством и магнетизмом. В 1931 году Поль Дирак доказал, что существование магнитных монополей согласуется с законами квантовой механики и тем самым восстанавливает электромагнитную симметрию^{233}.

В 1974 году нидерландский физик Герард Хуфт^{234} и советский физик Александр Поляков^{235} независимо друг от друга доказали, что в рамках калибровочных теорий объединения, включающих электромагнитное взаимодействие, должны существовать магнитные монополи. В 1976 году британский физик Томас Киббл (один из шести авторов, предложивших в 1964 году механизм Хиггса, см. главу 11) доказал, что при фазовом переходе с нарушением калибровочной симметрии новая фаза не обязана быть однородной, но может иметь так называемые топологические дефекты, подобные тем, которые возникают в ферромагнетиках. Эти дефекты включают доменные стенки, струны и монополи^{236}.

В 1979 году гарвардский аспирант Джон Прескилл рассчитал, что во время фазового перехода ТВО должны были образоваться монополи массой в 10¹⁶ раз больше массы протонов в количестве, сопоставимом с числом протонов^{237}. Если бы все было так, масса Вселенной в то время стала бы настолько большой, что она схлопнулась бы менее чем за 1200 лет^{238}.

В 1980-е проводилось множество экспериментов по поиску магнитных монополей, но ни один так и не был найден^{239}. В 1987 году я провел шесть месяцев своего творческого отпуска в Италии, работая в проекте MACRO (Monopole, Astrophysics, and Cosmic Ray Observatory — «Обсерватория монополей, астрофизики и космических лучей») в Национальной лаборатории Гран-Сассо, расположенной под землей. Эта лаборатория представляет собой магистральный туннель, проложенный через горную цепь недалеко от горы Л’Акуила, где в 2009 году произошло землетрясение (лаборатория не пострадала). Основной целью эксперимента MACRO был поиск магнитных монополей, и он стал самым чувствительным экспериментом из когда-либо проводимых в этой области. Обнаружить монополи так и не удалось, но к 2002 году в этом эксперименте был установлен очень строгий верхний предел для регистрации потока монополей, намного ниже расчетного значения, основанного на эффекте, который монополи должны производить на магнитные поля галактик^{240}.

Тем не менее провал попытки обнаружить магнитные монополи — это в худшем случае проблема теорий великого объединения, но никак не модели Большого взрыва. Я упомянул об этом в основном из исторических соображений, поскольку проблема монополей сильно поспособствовала привлечению физиков, работающих с элементарными частицами, к работе над космологией ранней Вселенной.

 

Старая и новая инфляция

В 1980 году несколько физиков и астрофизиков начали независимо друг от друга разрабатывать сценарий развития ранней Вселенной, который должен был в конечном итоге представить возможное решение проблем, связанных с общепринятой моделью Большого взрыва. В том же году, 11 января, российский физик Алексей Старобинский, работавший со Стивеном Хокингом в Кембридже, отправил в журнал Physics Letters статью, в которой доказывал, что квантовые эффекты в ранней Вселенной могли привести к появлению пространства де Ситтера, а значит, к экспоненциальному расширению Вселенной, называемому теперь инфляцией.

В 1970 году Хокинг и Роджер Пенроуз применили общую теорию относительности, чтобы доказать, что наша Вселенная вначале представляла собой сингулярность, бесконечно малую точку бесконечно высокой плотности^{241}. С тех пор этот вывод используется богословами в качестве доказательства того, что наша Вселенная имела начало и, хотя это и не является следствием, что у нее должен был быть единоличный Творец^{242}. Старобинский доказал, а Хокинг и Пенроуз согласились, что квантовые эффекты в ранней Вселенной уничтожили сингулярность. Общая теория относительности не относится к квантовым теориям и перестает действовать на расстояниях меньше планковской длины — 10^-35 м^{243}.

5 мая 1980 года знакомый астрофизик Демосфен Казанас из Центра космических полетов имени Годдарда отправил в Astrophysical Journal статью, озаглавленную «Динамика Вселенной и спонтанное нарушение симметрии»^{244}. В ней он утверждает, что фазовый переход в ранней Вселенной, связанный со спонтанным нарушением симметрии, приведет к экспоненциальному расширению, которое может объяснить наблюдаемую изотропность Вселенной. Я считаю, что это была первая опубликованная работа, прямым текстом признающая экспоненциальное расширение в качестве решения одной из главных проблем с общепринятой моделью Большого взрыва, а именно проблемы горизонта.

9 сентября 1980 года японский физик Кацухико Сато отправил в «Ежемесячный обзор Королевского астрономического общества» (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society) статью, в которой также доказывал, что фазовый переход первого рода может привести к экспоненциальному расширению Вселенной^{245}. Он предположил, что происхождение галактик может объясняться флуктуациями, но не упомянул другие проблемы, связанные с моделью Большого взрыва.

Однако решающей работой по инфляционной теории стала статья, отправленная в Physical Review 1 августа 1980 года физиком Аланом Гутом, в ту пору получившим докторскую степень и занимавшимся исследованиями на Стэнфордском линейном ускорителе^{246}. Гут осознал всю значимость раннего периода экспоненциального расширения Вселенной, подчеркнув, каким образом это решает проблемы горизонта и плоской Вселенной, а также предложил возможное решение проблемы монополей.

Как вскоре понял Гут, проблемы плоской Вселенной и горизонта, вне всяких сомнений, были самыми важными. Любая из них могла опровергнуть модель Большого взрыва, если для нее не найдется возможного решения. В то же время проблема магнитных монополей не была критически важной. Магнитные монополи не существуют ни в классической, ни в квантовой электродинамике, и ни один монополь так и не удалось зарегистрировать в природе. В лучшем случае они добавляют симметрии электричеству и магнетизму, однако их существование требуется только в рамках теорий великого объединения.

В своей замечательной популярной книге «Инфляционная Вселенная» (The Inflationary Universe)^{247}, вышедшей в 1997 году, Гут рассказывает, как проблема монополя подтолкнула его к идее инфляционной модели Вселенной, и признает, что в то время он мало знал о космологии. О проблеме горизонта он впервые услышал в декабре 1979 года. Но он быстро учился и ко времени написания работы полностью осознавал всю глубину значимости как проблемы плоской Вселенной, так и проблемы горизонта.

В этой книге Гут прекрасно объясняет свою оригинальную модель, но и он, и остальные вскоре поняли, что она требует корректировки. Вместо того чтобы приводить здесь эту весьма сложную для понимания неспециалистом историю, я просто скажу, что экспоненциальная инфляция Вселенной является естественным следствием из общей теории относительности.

Если записать уравнения Фридмана для де-ситтеровской Вселенной с положительной космологической постоянной, достаточно математики на уровне первого курса, чтобы доказать, что решение представляет собой экспоненциальное расширение. Независимо от конкретной модели, теория инфляционного расширения решает проблемы плоской Вселенной, горизонта и монополей, а также закладывает основы для решения проблемы структуры.