Текст книги "Ткань космоса. Пространство, время и текстура реальности"

Автор книги: Брайан Грин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 31 (всего у книги 52 страниц)

Прогресс и предсказания

Решение инфляционной космологией проблемы горизонта и плоскостности представляет собой огромный прогресс. Для того чтобы космологическая эволюция привела к однородной Вселенной, плотность материи/энергии которой хотя бы отдалённо приближалась к тому, что мы сегодня наблюдаем, стандартная модель Большого взрыва требует точнейшей, необъяснимой, почти сверхъестественной настройки первоначальных условий. Такую настройку можно предположить, как считают ярые защитники стандартной модели Большого взрыва, но отсутствие её объяснения делает теорию неестественной. Напротив, безотносительно к детальным свойствам плотности материи/энергии ранней Вселенной, инфляционная космологическая эволюция предсказывает, что часть Вселенной, которую мы можем видеть, должна быть очень близка к плоской; т. е. она предсказывает, что плотность материи/энергии, которую мы наблюдаем, должна практически совпадать с критической плотностью. [65]65
  Альтернативное объяснение тонкой подстройки может заключаться в так называемом антропном принципе, который утверждает, что Вселенная такова, какова она есть, просто потому, что если бы она была иной, нас бы не было. Если бы с самого начала плотность Вселенной не была точно равна критической, жизнь никогда не возникла бы. Инфляционная космология решает эту частную проблему тонкой настройки параметров, но не решает проблему тонкой настройки вообще, так как точное равенство плотности Вселенной критической плотности – далеко не единственный пример тонкой настройки параметров. Другим примером является спектр масс элементарных частиц – будь он немного иным, не смогли бы возникнуть тяжёлые химические элементы и жизнь вместе с ними. Есть и некоторые другие подобные совпадения. Их по-прежнему приходится объяснять в рамках антропного принципа. (Прим. ред.)


[Закрыть]

Нечувствительность к детальным свойствам ранней Вселенной является замечательным качеством инфляционной теории, поскольку она позволяет давать определённые предсказания независимо от нашей неосведомлённости об условиях далёкого прошлого. Но теперь мы должны спросить: как эти предсказания соотносятся с детальными и точными наблюдениями? Подтверждают ли данные наблюдений предсказание инфляционной космологии, что мы должны наблюдать плоскую Вселенную, имеющую критическую плотность материи/энергии?

Долгие годы ответ был: «Не совсем». В многочисленных астрономических исследованиях тщательно измерялось количество материи/энергии, которое можно увидеть в космосе, и ответ получался на уровне 5% от критической плотности. Это далеко от гигантских или ничтожных плотностей, к которым естественно приводит стандартная модель Большого взрыва без искусственной тонкой настройки, и именно это я имел в виду, когда говорил раньше, что наблюдения дают плотность материи/энергии Вселенной, не отличающуюся в тысячи и тысячи раз от критической плотности в большую или меньшую сторону. Но даже и в этом случае, 5% – это меньше, чем 100%, предсказанные инфляцией. Но физики давно поняли, что в оценке таких данных необходимо проявлять осторожность. Астрономические обзоры, называя 5%, принимают во внимание только материю/энергию, которая излучает свет, и потому может быть видима в телескопы. Но уже десятилетия, даже до открытия инфляционной космологии, существовали веские указания, что Вселенная имеет массивную тёмную часть.

Предсказание темноты

В начале 1930-х гг. Фриц Цвикки, профессор астрономии Калифорнийского технологического института (в высшей степени жёлчный учёный и столь большой поклонник принципов симметрии, что своих коллег он называл сферическими идиотами, ибо согласно его объяснениям они были идиотами, с какой стороны на них не посмотреть) ^{142} , обнаружил, что галактики в скоплении Волосы Вероники, содержащем тысячи галактик и находящемся на расстоянии около 370 млн световых лет от Земли, двигаются слишком быстро, чтобы видимая материя могла обеспечить достаточную гравитационную силу, удерживающую их в группе. Его анализ показал, что многие из наиболее быстро двигающихся галактик должны были быть выброшены из группы, подобно каплям воды, отбрасываемым вращающимся велосипедным колесом. Однако этого не происходит. Цвикки предположил, что может существовать дополнительная материя, пропитывающая этот скопление, которая не излучает света, но добавляет дополнительное гравитационное притяжение, необходимое, чтобы удерживать скопление вместе. Его расчёты показали, что если объяснение правильное, бо́льшая часть массы скопления должна содержаться в этом несветящемся материале. К 1936 г. подтверждение было найдено Синклером Смитом из обсерватории Маунт Вилсон, который изучал скопление галактик в созвездии Девы и пришёл к аналогичному заключению. Но поскольку в наблюдениях обоих учёных, так же как и многих других последующих, имелось много различных неопределённостей, многих не удалось убедить, что имеется массивная невидимая материя, гравитационное притяжение которой удерживает вместе галактики в группах.

На протяжении следующих тридцати лет наблюдательные подтверждения несветящейся материи продолжали поступать, ^{143} но окончательно вопрос был решён работой астронома Веры Рубин из Института Карнеги в Вашингтоне вместе с Кентом Фордом и другими. Рубин и её коллеги изучили движение звёзд внутри большого числа вращающихся галактик и пришли к заключению, что там есть только то, что мы видим, то многие звёзды галактик должны быть попросту выброшены наружу. Их наблюдения окончательно показали, что видимая материя галактик нигде не может вызывать достаточно сильное гравитационное притяжение, чтобы удержать наиболее быстрые звёзды. Детальный анализ, проведённый ими, показал также, что звёзды будут оставаться гравитационно связанными, если галактики, где они обитают, погружены в гигантский шар несветящейся материи (как показано на рис. 10.5), общая масса которой намного превосходит массу светящейся галактической материи. Итак, как на представлении, где можно догадаться о присутствии одетого в тёмное мима, хотя видны только его руки в белых перчатках, летающие туда и сюда по неосвещённой сцене, астрономы пришли к выводу, что Вселенная должна быть заполнена тёмной материей– материей, которая не собирается в звёзды и поэтому не излучает свет и которая при этом оказывает гравитационное притяжение, не проявляя себя визуально. Светящиеся составляющие Вселенной – звёзды – выглядят плавающими маяками в гигантском океане тёмной материи.

Рис. 10.5.Галактика, погруженная в шарообразное облако тёмной материи (которое искусственно подсвечено, чтобы сделать его видимым на рисунке)

Но если тёмная материя обязана существовать, чтобы привести к наблюдаемому движению звёзд и галактик, из чего она состоит? До настоящего времени никто не знает. Природа тёмной материи остаётся большой тайной, хотя астрономы и физики предложили множество возможных кандидатов на её роль, начиная с различных экзотических частиц и кончая космическим бассейном миниатюрных чёрных дыр. Но даже без определения её состава благодаря тщательному анализу её гравитационного влияния астрономы смогли с хорошей точностью определить, сколько тёмной материи распределено по Вселенной. В результате они получили примерно 25% от критической плотности. ^{144} Таким образом, вместе с 5%, приходящимися на видимую материю, тёмная материя даёт нам 30% от количества, предсказанного инфляционной космологией.

Итак, это, конечно, прогресс, но в течение долгого времени учёные чесали затылки, удивляясь, куда делись оставшиеся 70% Вселенной, которые, если инфляционная космология верна, определённо находятся в самоволке. И вот в 1998 г. две группы астрономов пришли к одному и тому же удивительному заключению, которое замкнуло круг нашей истории и снова явило мощь предвидения Альберта Эйнштейна.

Убегающая Вселенная

Аналогично тому, как вам хочется получить заключение другого специалиста для подтверждения медицинского диагноза, физики тоже стремятся услышать иное мнение, когда они сталкиваются с экспериментальными данными или теориями, которые указывают на наличие загадки. Из таких мнений наиболее убедительными являются те, которые приводят к тем же результатам путём, существенно отличным от исходного. Когда различные объяснения с разных направлений приводят к одному результату, это даёт хороший шанс, что мы попали в научное яблочко.

Поэтому понятно, что физики стремились к независимому подтверждению следующего вывода инфляционной космологии: 70% материи/энергии Вселенной ещё предстоит обнаружить и измерить. Давно было осознано, что таким трюком могли бы стать измерения параметра замедления.

Сразу после начального инфляционного взрыва обычная притягивающая гравитация стала замедлять расширение пространства. Темп, с которым происходит это замедление, называется параметром замедления. Точное измерение этого параметра могло бы обеспечить независимую оценку полного количества материи во Вселенной: большее количество материи, независимо от того, даёт она свет или нет, означает большее гравитационное притяжение и потому сильнее замедляет пространственное расширение.

Многие десятилетия астрономы пытались измерить торможение Вселенной, но, хотя это и просто с принципиальной стороны, на практике это является сложной задачей. Когда мы наблюдаем удалённые небесные тела, вроде галактик или квазаров, мы видим их такими, какими они были в далёком прошлом: чем они дальше от нас, тем дальше назад во времени мы смотрим. Поэтому, если мы могли бы измерить, как быстро они от нас удаляются, мы узнали бы, как быстро Вселенная расширялась в удалённом прошлом. Более того, если бы мы могли провести такие измерения для астрономических объектов, расположенных на разных расстояниях, мы смогли бы измерить скорость расширения Вселенной в разные моменты прошлого. Сравнивая эти скорости расширения, можно было бы определить, как замедляется расширение пространства со временем, и отсюда определить параметр замедления.

Для реализации этой стратегии по измерению параметра замедления требуются две вещи: способ измерения расстояния до данного астрономического объекта (так чтобы мы знали, как далеко назад во времени мы заглядываем) и способ определения скорости, с которой объект удаляется от нас (так чтобы мы знали темп расширения пространства в этот момент прошлого). Последнюю составляющую получить проще. Точно так же, как вой сирены полицейского автомобиля переходит к более низкому тону, когда он удаляется от вас, частота колебаний света, испущенного астрономическим источником, также падает, когда объект удаляется. А поскольку свет испускается атомами вроде водорода, гелия или кислорода – атомами, входящими в состав звёзд, квазаров и галактик, – которые тщательно изучены в лабораторных условиях, точное определение скорости объекта может быть проведено путём изучения того, насколько сильно свет, который мы получаем от астрономического источника, отличается от света, который мы видим в лаборатории.

Но первая составляющая – метод точного определения, как далеко находится объект, оказалась головной болью астрономов. Можно ожидать, что чем дальше что-либо находится, тем более тусклым будет выглядеть, но обратить это простое наблюдение в количественное измерение трудно. Чтобы судить о расстоянии до объекта по его видимой яркости, вам нужно знать его абсолютную светимость – насколько ярким он был бы, если бы располагался прямо рядом с вами. Но определить абсолютную светимость объекта, удалённого на миллиарды световых лет, трудно. Генеральная стратегия заключается в поиске таких разновидностей небесных тел, которые по фундаментальным астрофизическим причинам всегда имеют стандартную светимость. Если пространство заполнено зажжёнными 100-ваттными лампочками, хитрость бы удалась, поскольку мы могли бы легко определить расстояние до данной лампочки на основании того, насколько она выглядит тусклой (хотя это сложная задача – увидеть 100-ваттную лампочку на большом расстоянии). Но, поскольку пространство не имеет такого оборудования, что могло бы сыграть роль лампочки стандартной яркости или, на языке астрономии, что может сыграть роль стандартной свечи? Астрономы долго изучали различные возможности, но наиболее успешным кандидатом на сегодняшний день является особый класс взрывов сверхновых звёзд.

Когда звёзды исчерпывают своё ядерное горючее, направленное наружу давление, создаваемое реакциями ядерного синтеза в ядре звезды, уменьшается и звезда начинает схлопываться под тяжестью своего собственного веса. Когда ядро звезды рушится в себя, его температура быстро возрастает, иногда приводя к гигантскому взрыву, который сдувает внешние слои звезды, вызывая сверкающее зрелище небесного фейерверка. Такой взрыв известен как рождение сверхновой; в течение нескольких недель одна взорвавшаяся звезда может сиять так же ярко, как миллиард солнц. Это действительно поражает воображение: отдельная звезда сияет почти так же ярко, как целая галактика! Различные типы звёзд – различных размеров, с разным относительным содержанием различных атомов и т. д. – приводят к различным типам взрывов сверхновых, но много лет назад астрономы поняли, что определённые взрывы сверхновых всегда светят с одинаковой абсолютной яркостью. Это взрывы сверхновых типа Ia.

В типе сверхновых Ia белый карлик – звезда, которая исчерпала запас ядерного топлива, но имеет недостаточную массу, чтобы самой по себе стать сверхновой, – всасывает вещество с поверхности находящейся рядом звезды-компаньона. Когда масса белого карлика достигает критической величины, составляющей около 1,4 массы Солнца, в нём лавинообразно развивается ядерная реакция, которая заставляет его стать сверхновой звездой. Поскольку такие взрывы сверхновых происходят, когда карликовая звезда достигает одной и той же критической массы, характеристики взрыва, включая его абсолютную светимость, практически одинаковы от случая к случаю. Более того, поскольку сверхновые, в отличие от 100-ваттных лампочек, чрезвычайно мощны, они не только имеют стандартную надёжную светимость, но их также можно ясно видеть через Вселенную. Так что они являются первыми кандидатами на роль стандартной свечи. ^{145}

В 1990-е гг. две группы астрономов, одна под руководством Сола Перлмуттера в Лоуренсовской национальной лаборатории в Беркли и другая под руководством Брайана Шмидта в Австралийском национальном университете, взялись за определение параметра замедления – и, следовательно, полной материи/энергии – Вселенной путём измерения скоростей удаления сверхновых типа Ia. Определение того, что сверхновая принадлежит к типу Ia, довольно просто, поскольку излучение, генерируемое при её взрыве, имеет весьма характерный рисунок: сначала крутой рост, а затем пологое падение интенсивности. Но на самом деле поймать сверхновую типа Ia на месте преступления является немалым подвигом, поскольку такие взрывы в типичной галактике происходят только раз в несколько сотен лет. Тем не менее благодаря инновационной технологии одновременного наблюдения тысяч галактик через телескопы с широким полем обзора команды смогли обнаружить около четырёх дюжин сверхновых типа Ia на различных расстояниях от Земли. После скрупулёзного определения расстояния и скорости удаления каждой сверхновой обе группы пришли к совершенно неожиданному заключению: начиная с времени, когда Вселенной было около 7 млрд лет, темп её расширения нетормозился. Наоборот, темп расширения возрастал.

Группы пришли к заключению, что первые 7 млрд лет после первичного взрыва расширение Вселенной замедлялось, примерно как тормозит автомобиль, когда приближается к контрольному посту ГАИ. Это и ожидалось. Но результаты измерений показали, что подобно водителю, который нажимает на педаль газа после прохождения контрольного поста, расширение Вселенной с тех пор ускоряется. Темп расширения пространства через 7 млрд лет после Взрыва был меньше, чем темп расширения через 8 млрд лет после Взрыва, который в свою очередь был меньше, чем темп расширения через 9 млрд лет после Взрыва, и т. д. – все они были меньше, чем темп расширения сегодня. Ожидаемое торможение расширения пространства переключилось на неожиданное ускорение.

Но как такое может быть? Ответ обеспечивает то самое второе независимое подтверждающее мнение относительно пропавших 70% материи/энергии, которые разыскивали физики.

Пропавшие 70%

Если вы мысленно перенесётесь в 1917 г., когда Эйнштейн ввёл космологическую постоянную, у вас будет достаточно информации, чтобы выдвинуть предположение о том, почему Вселенная ускоряется. Обычные материя и энергия вызывают обычную притягивающую гравитацию, которая замедляет расширение пространства. Но по мере того как Вселенная расширяется и разные объекты всё более отдаляются друг от друга, это космическое гравитационное притяжение, хотя и продолжает замедлять расширение, становится слабее. И это приводит нас к новому и неожиданному повороту. Если бы Вселенная имела космологическую постоянную – и если бы её значение имело точно нужную, маленькую величину, – то на протяжении примерно 7 млрд лет с Большого взрыва её гравитационное отталкивание перекрывалось бы гравитационным притяжением обычной материи, приводя к общему замедлению расширения, в соответствии с результатами наблюдений. Но затем, когда обычная материя рассеялась в пространстве и её гравитационное притяжение ослабло, отталкивающее воздействие космологической постоянной (величина которого не изменяется, по мере того как материя рассеивается) должно было постепенно взять верх, и эра замедленного расширения пространства должна была смениться эрой ускоренного расширения.

В конце 1990-х гг. такие рассуждения и углублённый анализ экспериментальных данных привели обе группы, Перлмуттера и Шмидта, к мысли, что Эйнштейн не ошибся восемьдесят лет назад, когда ввёл космологическую постоянную в уравнения гравитации. Вселенная, как предположили обе группы, на самом делеимеет космологическую постоянную. ^{146} Она имеет не ту величину, которую предлагал Эйнштейн, поскольку он искал возможность существования статической Вселенной, где гравитационное притяжение и отталкивание точно уравновешивались бы, но эти исследователи обнаружили, что уже миллиарды лет отталкивание доминирует. Но несмотря на эти детали и на то, что открытие групп Перлмуттера и Шмидта должно тщательно изучаться и должны быть доведены до конца необходимые исследования, нельзя не удивляться предвидению Эйнштейна, которое подтверждается спустя 80 лет.

Скорость убегания сверхновых зависит от разницы между гравитационным притяжением обычной материи и гравитационным отталкиванием «тёмной энергии», которую даёт космологическая постоянная. Допуская, что количество материи, как видимой, так и тёмной, составляет около 30% от критической плотности, исследователи сверхновых пришли к заключению, что ускоренное расширение, которое они наблюдали, требует отталкивающего эффекта космологической постоянной, тёмная энергия которой составляет около 70% от критической плотности.

Это поразительное число.Если оно верно, тогда не только обычная материя – протоны, нейтроны, электроны – составляют жалкие 5% от материи/энергии Вселенной, и не только некоторая, на сегодня неидентифицированная тёмная материя составляет по меньшей мере в пять разбольшее количество, но также бо́льшую частьматерии/энергии во Вселенной составляет совершенно отличающаяся и ещё более таинственная тёмная энергия, которая распределена по всему пространству. Если эти идеи верны, они самым невероятным образом углубляют революционный переворот в мировоззрении человечества, произведённый Коперником: мы не только не являемся центром Вселенной, но даже материя, из которой мы состоим, подобна обломкам, плавающим в космическом океане. Если бы протоны, нейтроны и электроны не были включены в замысел великого творения, полная материя/энергия Вселенной почти не уменьшилась бы.

Но имеется вторая, равно важная причина, почему 70% является удивительным числом. Космологическая постоянная, которая даёт 70% в критической плотности, будет вместе с 30%, приходящимися на обычную материю и тёмную материю, давать полную материю/энергию Вселенной, точно равную всем 100%, предсказываемым инфляционной космологией! Так что отталкивание, продемонстрированное результатами изучения сверхновых, может быть объяснено в точности тем количеством тёмной энергии, которое необходимо для объяснения невидимых 70% Вселенной, о которых чесали затылки инфляционные космологи. Измерения сверхновых и инфляционная космология изумительно дополняют друг друга. Они друг друга подтверждают. Каждое даёт подтверждающее второе независимое мнение для другого. ^{147}

Объединяя наблюдательные результаты по сверхновым с теоретическими представлениями инфляции, мы, таким образом, получаем набросок космической эволюции, который представлен на рис. 10.6. Сначала энергия Вселенной была заключена в поле инфлатона, которое находилось вне своего состояния минимальной энергии. Вследствие своего отрицательного давления поле инфлатона вызвало гигантский взрыв инфляционного расширения. Затем, примерно через 10 ⁻³⁵с, когда поле инфлатона соскользнуло на дно своей чаши потенциальной энергии, взрыв расширения подошёл к концу и инфлатон высвободил свою энергию, отдав её на производство обычной материи и излучения. Много миллиардов лет эти привычные составляющие Вселенной создавали обычное притягивающее гравитационное действие, которое замедляло расширение пространства. Но когда Вселенная выросла и стала более разреженной, гравитационное притяжение уменьшилось. Около 7 млрд лет назад обычное гравитационное притяжение стало настолько слабым, что гравитационное отталкивание космологической постоянной стало доминировать, и с тех пор темп расширения пространства постоянно растёт.

Рис. 10.6.Шкала времени космической эволюции: ( а) Инфляционный взрыв. ( б) Эволюция по стандартной модели Большого взрыва. ( в) Эра ускоренного расширения

Примерно через 100 млрд лет от сегодняшнего дня все галактики, за исключением самых близких, будут раскиданы в разные стороны раздувающимся пространством со скоростями больше световой, так что мы не сможем их увидеть независимо от мощности используемых телескопов. Если эти идеи верны, то в далёком будущем Вселенная будет безбрежным, пустым и уединённым местом.