Читать книгу "О происхождении времени. Последняя теория Стивена Хокинга - Томас Хертог"

виртуальной пары частиц может попасть в черную дыру, и это даст второй частице возможность ускользнуть во Вселенную, где она проявится в виде слабого излучения, исходящего от черной дыры[124]. История раздувающейся Вселенной – вроде истории черной дыры наоборот: быстрое инфляционное расширение усиливает квантовые вибрации, связанные с окружающим нас со всех сторон космологическим горизонтом, что заставляет Вселенную столь же слабо мерцать на микроволновых частотах. По теории инфляции выходит, что мы погружены в космический океан излучения Хокинга.

Несмотря ни на что, Стивен все же дожил до того дня, когда смог увидеть результаты подробных наблюдений космического фонового излучения и испытать огромное удовлетворение от того, что наблюдаемая картина его вариаций совпадает с ритмом инфляции.

Летом 2009 года Европейское космическое агентство запустило спутник «Планк», который на протяжении почти пятнадцати месяцев успешно собирал древние микроволновые фотоны. Спутники выполняют эту задачу гораздо лучше, чем наземные телескопы, – им не мешает наша неспокойная атмосфера, и они могут сканировать все небо. Приемники спутника «Планк» регистрировали точные значения температуры и поляризации CMB-фотонов, приходящих к нам с миллионов различных направлений в пространстве. Затем армия астрономов, работавших в проекте «Планк», составила из этих данных невероятно подробную температурную карту неба в микроволновом диапазоне. Туманные очертания карты CMB, полученной на COBE, превратились в беспримерно четкую картину. Я привел эту карту на рис. 9 (см. вклейку). Представьте себе небо в лучах микроволнового фона в виде гигантской, бесконечно далекой сферы, космического горизонта с Землей в центре. Приведенная мною раньше карта CMB на рис. 2 – проекция этой сферы на плоский лист бумаги, выполненная так же, как мы строим плоскую географическую карту мира.

На первый взгляд пятна и кляксы на карте микроволнового фона кажутся случайными. Но если вглядеться пристальнее, в этих нескольких миллионах пикселей проступает давно разыскивавшаяся картина неоднородностей первичного инфляционного всплеска.

На рис. 28 дана картина инфляционных флюктуаций: ожидаемые значения разностей температуры в зависимости от углового масштаба, на котором они измерялись на небе. Бросается в глаза, что разность температур испытывает колебания в соответствии с определенной закономерностью: при малых угловых расстояниях между точками уровень вариаций падает, как при звоне колокола. Согласие между наблюдательными данными, полученными «Планком»: точками, и теоретическими предсказаниями: кривой, – разительное. Этот волнообразный график сделался иконой современной космологии. Он широко признан первым веским доказательством того, что самые глубокие корни нашего происхождения надо искать в квантовых вибрациях, усиленных и растянутых в ходе краткого всплеска первичной инфляции. Спутник «Планк» оправдал свое славное имя.

Рис. 28. Ожидаемый уровень температурных различий CMB (по вертикальной оси) как функция углового расстояния между двумя точками на небе (по горизонтальной оси). Угловое расстояние растет справа налево. Сплошная кривая отражает предсказания инфляционной теории. Точки – данные спутника «Планк». Они почти идеально согласуются с картиной, которую предсказывает теория.

Но это не все. Осцилляции микроволнового излучения говорят нам еще кое-что о сегодняшнем устройстве Вселенной, и даже о ее будущем. Дело в том, что более тонкие детали картины колебаний реликтового фона зависят не только от его инфляционного происхождения, но и от изменений геометрии Вселенной в ходе ее эволюции. Если, пользуясь теорией Эйнштейна, связать геометрическую форму пространства-времени с его вещественным содержимым, то оказывается, что точные данные «Планка» могут многое сказать физикам о строении Вселенной. Возьмем, к примеру, положение первого пика на рис. 28, который соответствует угловому расстоянию между точками на небе примерно в один градус (для сравнения напомним, что поперечник полной Луны составляет примерно полградуса). Положение этого пика говорит нам, что пространство наблюдаемой части Вселенной вряд ли можно считать искривленным. То есть, если три измерения пространства образуют гиперсферу, то ее размер должен быть невероятно огромным: таким, что она будет выглядеть плоской даже в масштабе нашего космологического горизонта. Совсем как Земля, которая, когда мы глядим вокруг, кажется нам плоской.

Высота второго пика свидетельствует о том, что на долю обычного видимого вещества, состоящего из протонов и нейтронов, приходится всего около 5 % общего содержимого сегодняшней Вселенной. Затем на помощь приходит и третий пик: он говорит нам, что во Вселенной есть еще примерно 25 % темной материи, состоящей из таинственных частиц, почти не взаимодействующих – а может, и вообще не взаимодействующих – с обычным веществом или со светом[125]. Тем не менее темная материя сыграла в истории Вселенной ключевую роль, обеспечив дополнительное гравитационное притяжение, необходимое для того, чтобы крохотные зерна уплотнений в первичном газе разрослись в паутину галактик. Темная материя стала космическим становым хребтом, который направил организацию видимого вещества в крупномасштабные структуры – что в конечном счете и позволило Вселенной быть обитаемой.

Рис. 29. Секторная диаграмма бюджета вещества и энергии в сегодняшней Вселенной. Большая часть его приходится на темную энергию, ответственную за ускорение расширения Вселенной в последние несколько миллиардов лет. Остаток в основном находится в форме неатомной темной материи, состоящей из неизвестных частиц. И лишь малую часть, всего 5 %, занимают знакомые нам вещество и излучение.

Таким образом, от высот и расположения трех пиков на кривой осцилляций, полученной из данных «Планка», мы приходим к поразительному заключению: примерно 70 % содержимого сегодняшней Вселенной вообще не является веществом (см. рис. 29). Напротив, самый большой кусок космического пирога – это невидимая антигравитирующая темная энергия, ответственная за всплеск расширения Вселенной в текущую эпоху. И это вполне согласуется с нашумевшим открытием, сделанным двумя группами астрономов в 1998 году: наблюдая очень далекие взрывающиеся звезды, они нашли доказательства того, что за последние несколько миллиардов лет расширение пространства ускорилось[126].

Выходит, если темная энергия действительно не более чем эйнштейновский λ-член – энергия пустого пространства, – то она должна оказать решающее воздействие на далекое будущее Вселенной. Как только влияние космологической постоянной станет определяющим, обратить этот процесс вспять станет невозможно: в отличие от инфлатона, постоянную величину «выключить» нельзя. Так что если во всем действительно «виновата» космологическая постоянная, ускорение расширения пространства может продолжаться вечно. Образование новых звезд и галактик в конечном счете прекратится, оставшиеся галактики либо сольются друг с другом, либо постепенно исчезнут друг у друга с горизонта, и ночное небо медленно, но неуклонно погаснет[127]. Астрономам этой далекой эпохи наблюдать будет нечего.

На сегодня выполнен обширный объем согласующихся друг с другом астрономических наблюдений, проведено огромное количество проверок и перепроверок: все они подтверждают самосогласованную космологическую модель, которая отражена на рис. 28 и 29. Сейчас физики убеждены, что они правильно и на высоком уровне точности представляют структуру и состав наблюдаемой Вселенной и историю ее расширения. Согласованная картина, сложившаяся на исходе «золотого десятилетия» космологии, поразительно напоминает ту, которую Леметр набросал почти девяносто лет