Наука постоянно развивается, теоретические модели совершенствуются как благодаря работе теоретиков, так и благодаря постоянному прогрессу в наблюдениях. Не является исключением и космология – наука о природе Вселенной, её происхождении и эволюции. Развитие это не идёт равномерно. Особенно активный толчок космология получила в конце XX века благодаря появлению новых технологий, приборов и возможностей наблюдения. Но и до этого она плодотворно развивалась – в основном за счёт теоретической работы.
Центральным столпом космологии является теория Большого взрыва, признанная сегодня большинством физиков. Но хотя в своём первоначальном виде она появилась уже почти сто лет назад, сегодня её понимают уже совсем не так, как раньше.
В 1916 г. Альберт Эйнштейн опубликовал общую теорию относительности, которая давала единое описание гравитации как геометрического свойства пространства и времени. В то время Эйнштейн верил в статичность Вселенной, но обнаружил, что его первоначальная формулировка теории не допускает подобного. Это объясняется тем, что массы, распределённые по Вселенной, гравитационно притягиваются и, следовательно, должны двигаться друг к другу с течением времени.
Он решил ввести в свои уравнения дополнительную константу, которая сможет «противодействовать» притягивающей силе гравитации в космических масштабах. В 1917 году Эйнштейн опубликовал свою первую работу по релятивистской космологии, в которой он добавил эту космологическую постоянную в свои уравнения поля, чтобы заставить их моделировать статическую Вселенную.
Модель Эйнштейна описывает статическую Вселенную; пространство в ней, конечно, но не имеет границ (аналогично поверхности сферы, которая имеет конечную площадь, но не имеет краёв). Однако эта так называемая «модель Эйнштейна» неустойчива к малым возмущениям — в конце концов, она начинает расширяться или сжиматься. Позднее стало ясно, что модель Эйнштейна — лишь одна из большого набора возможностей, соответствующих космологическому принципу.
Последний говорит о том, что пространственное распределение материи во Вселенной является равномерным и изотропным на достаточно больших масштабах, поскольку предполагается, что все силы на крупных масштабах действуют во Вселенной одинаково и, следовательно, не должны приводить к наблюдаемым неравенствам в крупномасштабном структурировании в ходе эволюции материи.
Космологические решения общей теории относительности были найдены Александром Фридманом в начале 1920-х гг. Его уравнения описывают вселенную Фридмана-Леметра-Робертсона-Уокера, которая может расширяться или сжиматься, а её геометрия может быть открытой, плоской или замкнутой. Однако такая вселенная не может быть статичной — даже со специально добавленной космологической константой. Последняя, кстати, потом всё же пригодилась – но уже в роли тёмной энергии, отвечающей за расширение Вселенной.
В числе прочего Фридман исследовал вопрос кривизны Вселенной
В 1910-х годах Весто Мелвин Слайфер понял, что смещение спектра спиральных туманностей – это на самом деле доплеровское смещение, означающее, что эти туманности удаляются от нас. Но тогда ещё не существовало надёжных методов определения расстояния до таких далёких астрономических объектов.
В 1927 г. бельгийский католический священник Жорж Леметр независимо вывел уравнения Фридмана-Леметра-Робертсона-Уокера и, зная об удалении спиральных туманностей, экстраполировав этот процесс вспять, выдвинул предположение о том, что Вселенная родилась из «первобытного атома» – ведь если сейчас от нас всё удаляется, то раньше всё было ближе, друг к другу, плотнее и горячее. Получалось, что Вселенная родилась из некоего «космического яйца».
Мало кто обратил внимание на выводы Леметра, но одним из тех, кто всё же их заметил, был сам Эйнштейн, который довольно резко отреагировал на них: «Ваши расчёты верны, но ваше понимание физики отвратительно».
Однако к 1929 году именно расчёты Эйнштейна оказались под ударом из-за «систематических наблюдений других галактик», проведённых американским астрономом Эдвином Хабблом, а выводы Леметра стали находить всё больше сторонников.
Хаббл показал, что спиральные туманности на самом являются галактиками, подобными той, в которой мы живём – галактике Млечный Путь. Он определил расстояния до их по яркости переменных звёзд, цефеид. Он обнаружил зависимость между красным смещением галактики и её расстоянием и интерпретировал это как свидетельство того, что галактики удаляются от Земли во всех направлениях со скоростями, пропорциональными расстоянию до них. Этот факт сегодня известен как закон Хаббла.
В 1929 г. в Великобритании состоялось заседание Королевского астрономического общества, на котором были рассмотрены эти неожиданные данные, и известный математик Артур Эддингтон вызвался найти решение этой загадки. Узнав об этом, Леметр послал Эддингтону копию своей работы 1927 г., и в марте 1931 г. Общество опубликовало её перевод на английский язык в своём журнале Monthly Notices.
Большинство учёных, прочитавших работу Леметра, по мнению CERC, «согласились с тем, что Вселенная расширяется», но «воспротивились предположению о том, что у Вселенной было начало». Одним из тех, кто, безусловно, сопротивлялся, был Эддингтон, написавший в журнале Nature, что представление о начале мира «отвратительно».
В ответ Леметр опубликовал в журнале Nature письмо, озаглавленное «Начало мира с точки зрения квантовой теории»:
«Сэр Артур Эддингтон утверждает, что с философской точки зрения представление о начале нынешнего порядка природы ему противно. Я скорее склонён думать, что современное состояние квантовой теории предполагает начало мира, сильно отличающееся от нынешнего порядка природы. Термодинамические принципы с точки зрения квантовой теории можно сформулировать следующим образом: (1) Энергия, имеющая постоянное общее количество, распределена в виде дискретных квантов. (2) Число отдельных квантов постоянно растёт. Если мы вернёмся назад в течение времени, то должны обнаружить все меньше и меньше квантов, пока не найдём всю энергию Вселенной упакованной в нескольких или даже в единственном кванте».
Это столкновение между ними выглядит довольно необычно, если учесть, что несколькими годами ранее Эддингтон-профессор говорил о Леметре-учёном, что тот был «очень блестящим студентом, удивительно быстрым и с ясным взглядом, обладающим большими математическими способностями», как говорится в характеристике Леметра, опубликованной Американским музеем естественной истории.
С учётом космологического принципа закон Хаббла позволял предположить, что Вселенная расширяется. Было предложено два основных объяснения этого расширения. Одно из них — теория Большого взрыва Леметра, которую впоследствии отстаивал и развивал Георгий Гамов.
Другим объяснением была модель устойчивого состояния Фреда Гойла, в которой новая материя образуется по мере удаления галактик друг от друга. В этой модели Вселенная примерно одинакова в любой момент времени. Именно ему мы и обязаны термином «Большой взрыв».
28 марта 1949 г. Фред Гойл выступал в эфире Би-би-си, обсуждая свои представления о том, как началась Вселенная, — а именно, что на самом деле она не начиналась. Гойл не считал, что у Вселенной есть точная точка отсчёта, и отстаивал свою любимую модель устойчивого состояния: представление о том, что Вселенная постоянно создаёт новую материю везде и всегда, даже если отматывать время назад до бесконечности. За год до этого, в 1948, он с двумя коллегами опубликовал работу на эту тему.
Он подчёркивал контраст между теорией стационарного состояния и «гипотезой о том, что вся материя Вселенной была создана в результате одного «большого взрыва» в определённое время в далёком прошлом». Он считал эту идею «иррациональной» и выходящей за рамки науки". Да и само название «Большой взрыв» звучало довольно иронично – взрыв в нашем понимании это explosion, а Гойл употребил слово bang, которое ближе к «бабаху» или «буму».
Правда, историк Хельга Краг в своей статье от 2013 г. утверждает, что Гойл не использовал это выражение в насмешливом тоне — он был категорическим противником теории большого взрыва, но название не обязательно должно было насмехаться над ней. Он просто считал, что это подходящее описание для взрывной идеи, и оно подчёркивало её отличие от теории, которую он отстаивал.
Интересно, что опровергал он, на самом деле, не совсем ту идею, которой придерживались сторонники «Большого взрыва». Он критиковал идею, что всё содержимое Вселенной появилось в результате взрыва, а на самом деле идея состояла в том, что *сама Вселенная* появилась в результате этого «взрыва».
В том же 1948 году физики Георгий Гамов (кстати, подопечный Фримана), Ральф Алфер и Роберт Герман разработали подробную теоретическую картину Большого взрыва. Они поняли, что Вселенная сразу после взрыва должна была быть не только чрезвычайно плотной, но и чрезвычайно горячей. При таких высоких температурах большая часть содержимого Вселенной находилась бы не в виде вещества, а в виде интенсивного излучения. Этот ранний период сейчас называется радиационной эрой.
По мере расширения Вселенной общее количество света и вещества должно было заполнять всё больший объём пространства, поэтому плотность каждого из них должна была уменьшаться. Но при расширении пространства растягивались и волны проходящего через него света. А чем больше длина волны света, тем меньше его энергия. Поэтому расширение пространства привело к тому, что плотность энергии света стала уменьшаться даже быстрее, чем плотность вещества. В результате большая часть энергии Вселенной вскоре оказалась не в виде излучения, а в виде материи, и сегодня мы живём во Вселенной с преобладанием материи.
Эти трое учёных признали, что лучистая энергия Большого взрыва должна существовать во Вселенной и сегодня, хотя её интенсивность сильно уменьшилась в результате расширения пространства. Альфер и Герман вычислили современную температуру, соответствующую этой энергии. Полученный ими ответ составил 5°К. Лучистая энергия при температуре 5°К находится в основном в диапазоне частот микроволн.
Алфер и Герман фактически предсказали, что современная Вселенная должна быть погружена в слабый, но равномерный океан микроволновой энергии, идущей со всех сторон, — остаточное свечение после Большого взрыва. В те времена радиоастрономия находилась в зачаточном состоянии, и те немногие радиоастрономы, которые могли знать, как использовать имеющиеся технологии для поиска микроволнового фонового излучения, не знали об опубликованном теоретическом предсказании. Таким образом, в течение нескольких лет продолжалась дискуссия между теориями стационарного состояния и Большого взрыва в отсутствие каких-либо убедительных наблюдательных доказательств в пользу одной из них.
В 1955 году аспирант-радиоастроном Т. А. Шмаонов в Пулковской обсерватории под руководством советских радиоастрономов С. Э. Хайкина и Н. Л. Кайдановского провёл измерения радиоизлучения из космоса на длине волны 3,2 см и экспериментально обнаружил шумовое СВЧ-излучение, которое, правда, не связал с Большим взрывом. Это сделали через 10 лет американские радиаострономы Арно Пензиас и Роберт Вудроу Вильсон из Bell Telephone Laboratories в Холмдейле.
Реликтовое излучение
В том же 1948 году Гамов, Алфер и Бете опубликовали работу о происхождении химических элементов. Они утверждали, что при Большом взрыве образуются водород, гелий и более тяжёлые элементы в определённых пропорциях, что объясняет их обилие в ранней Вселенной. Хотя первоначальная теория не учитывала ряд процессов, важных для образования тяжёлых элементов, последующие разработки показали, что нуклеосинтез Большого взрыва (как потом стали называть этот процесс) согласуется с наблюдаемыми ограничениями для всех первородных элементов. Считается, что элементы тяжелее лития возникли на более поздних этапах жизни Вселенной в результате звёздного нуклеосинтеза, в процессе образования, эволюции и гибели звёзд.
Кстати, Бете стал соавтором работы в результате шутки — Гамов решил добавить его имя к этой работе, чтобы список авторов Alpher, Bethe, Gamow напомнил буквы греческого алфавита α, β и γ (альфа, бета, гамма).
В итоге экспериментально были обнаружены и подтверждены четыре столпа теории Большого взрыва: расширение Вселенной, наличие реликтового излучения, изобилие в прошлом лёгких элементов и недостаток тяжёлых, и преобладание в прошлом менее развитых галактики и звёзд в них.
Идея космического яйца нравилась и до сих пор нравится не всем физикам, тем более что в этом случае возникла необходимость в космической курице. Если единичный взрывной момент положил начало всему этому, то что же произошло до него? Что было до того, как Вселенная начала жить?
Попыток ответить на этот вопрос (или избежать его) было много, и устойчивое состояние Гойла было одной из них. Открытие и изучение реликтового излучения, ставшего результатом Большого взрыва, случившееся в 1950-е годы, опровергло первоначальную модель Гойла. Однако он продолжал пытаться скорректировать её в соответствии с новыми данными; в 1993 г. он и его коллеги предложили модифицированную версию космологии устойчивого состояния, допускающую периодические небольшие всплески творения, «минивзрывы», но она до сих пор в целом опровергается.
Гойл, умерший в 2001 г., не просто придумал название «Большому взрыву». Вместе с Вилли Фаулером он показал, что тяжёлые элементы Вселенной, из которых состоит жизнь и большинство вещей, её поддерживающих, образовались внутри звёзд и в результате их гибели во взрывах сверхновых. За эту работу Фаулеру была присуждена Нобелевская премия по физике, но Гойлу она, к большому недоумению Фаулера, не досталась. Некоторые утверждают, что комитет отверг кандидатуру Гойла потому, что в 1973 г. он публично и резко критиковал их решение наградить Энтони Хьюиша (за открытие первого пульсара) и проигнорировать его ученицу Джоселин Белл Бернелл.
До 1970-х годов считалось, что Большой взрыв породил Вселенную и всё её содержимое, возникнув из некоей бесконечно малой точки – сингулярности. Однако в конце 70-х появилась новая теория – космологической инфляции. Согласно ей, ранняя Вселенная расширялась с экспоненциальной скоростью, а потом, по окончании этого периода, продолжила расширяться, но уже медленнее. Ускорение этого расширения за счёт тёмной энергии началось после того, как возраст Вселенной уже превысил 7,7 млрд. лет (5,4 млрд. лет назад). Наибольшие вклады в теорию внесли советский и американский физик Андрей Линде, российский физик-теоретик Алексей Старобинский и американский физик Алан Гут – в 2014 году они втроём получили за эту теорию премию Кавли.
Теория получила дальнейшее развитие в начале 1980-х годов. Она объясняет происхождение крупномасштабных структур космоса. Квантовые флуктуации в микроскопической инфляционной области, увеличенные до космических размеров, становятся семенами роста структуры во Вселенной. Многие физики также считают, что инфляция объясняет, почему Вселенная кажется одинаковой во всех направлениях (изотропной), почему космическое микроволновое фоновое излучение распределено равномерно, почему Вселенная плоская и почему в ней не наблюдается магнитных монополей.
Во время инфляции во Вселенной материи и излучения не было, а был, скорее всего, какой-то другой тип энергии, возможно, присущий самому пространству, и эта энергия не уменьшалась по мере расширения Вселенной. Поэтому инфляция, то есть расширение Вселенной, имело экспоненциальный характер, благодаря чему при экстраполяции в прошлое мы можем прийти к сколь угодно малому размеру Вселенной, но никогда не дойдём до точки, где он равен нулю. И только после того, как это расширение закончилось, произошёл Большой взрыв (в тот момент размер Вселенной никак не мог быть меньше примерно кубического метра), Вселенная наполнилась веществом и излучением, и начала расширяться и охлаждаться.
Автор: Валерий Исаковский
