Ткань космоса. Пространство, время и текстура реальности

Хотя мы схватили основную идею, важно понять, в каком смысле проблема плоскостности является проблемой. Проблема плоскостности ни коим образом не показывает, что стандартная модель Большого взрыва неверна. Убеждённый сторонник реагирует на проблему плоскостности пожатием плеч и лаконичной репликой: «Просто тогда так было», принимая тонко настроенное значение плотности материи/энергии ранней Вселенной — которое требует стандартная модель Большого взрыва, чтобы предсказания согласовывались с наблюдениями, — как необъяснимую данность. Но этот ответ вызывает отторжение у большинства физиков. Физики чувствуют, что теория очень неестественна, если её успехи зависят от чрезвычайно точной подстройки свойств, для которой не видно фундаментального объяснения. Без объяснения причин, почему плотность материи/энергии ранней Вселенной должна была бы быть так тонко настроена на требуемую величину, многие физики находят стандартную модель Большого взрыва слишком надуманной. Таким образом, проблема плоскостности высвечивает экстремальную чувствительность стандартной модели Большого взрыва к условиям в удалённом прошлом, о которых мы знаем очень мало; это показывает, что теория должна предполагать, какой точно была Вселенная, для того чтобы быть работоспособной.

Напротив, физикам нравятся теории, предсказания которых нечувствительны к значениям неизвестных величин, вроде того, как обстояли дела в далёком прошлом. Такие теории кажутся надёжными и естественными, поскольку их предсказания не зависят от деталей, которые трудно или даже вообще невозможно определить напрямую. Именно такой теорией является инфляционная космология, и предлагаемое ею решение проблемы плоскостности иллюстрирует, почему это так.

Важное наблюдение заключается в том, что, в то время как притягивающая гравитация усугубляет любое отклонение от критической плотности материи/энергии, отталкивающая гравитация инфляционной теории делает наоборот: она уменьшаетлюбое отклонение от критической плотности. Чтобы почувствовать, почему это так, самое простое — использовать тесную связь между плотностью материи/энергии Вселенной и её кривизной для обоснования этого геометрически. В частности, заметим, что хотя форма ранней Вселенной и была существенно искривлённой, после инфляционного расширения та часть пространства, которая достаточно велика, чтобы включить в себя наблюдаемую сегодня Вселенную, выглядит очень близко к плоской. Это свойство геометрии, о котором мы все хорошо осведомлены: поверхность баскетбольного мяча, очевидно, кривая, но потребовались и время, и смелые мыслители, прежде чем все согласились, что поверхность Земли также искривлена. Причина состоит в том, что при прочих равных условиях чем большие размеры у чего-то, тем более плавно оно изгибается, и тем более плоским кажется кусок заданного размера на его поверхности. Если вы накинете штат Небраска на сферу только в несколько сотен миль в диаметре, как на рис. 10.4 а, он будет выглядеть искривлённым, но на земной поверхности, с чем согласны все жители Небраски, он выглядит плоским. Если вы расположите штат Небраска на сфере в миллиард раз больше Земли, он будет выглядеть ещё более плоским. В инфляционной космологии пространство растягивается настолько, что наблюдаемая Вселенная, тот кусок, который мы можем видеть, является всего лишь малым лоскутком в гигантском космосе. Подобно штату Небраска, расположенному на гигантской сфере, как на рис. 10.4 г, хотя вся Вселенная искривлена, наблюдаемаяВселенная будет очень близка к плоской. ^{141}

Это похоже на то, как если бы в ботинки скалолаза и в узкий гребень, по которому он идёт, были вставлены сильные, противоположно ориентированные магниты. Даже если его шаг попадает немного мимо нужного места, сильное притяжение между магнитами удерживает его ногу на гребне. Аналогично, даже если ранняя Вселенная заметно отклонялась от критической плотности материи/энергии и потому была далека от плоской, инфляционное расширение обеспечит, что та часть пространства, к которой мы имеем доступ, будет приведенак плоской форме, а плотность материи/энергии, к которой мы имеем доступ, будет приведенак критической величине.

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]

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.