Чего не знает современная наука

Итак, астрономические наблюдения доказали, что пространство во Вселенной является нестационарным, а из физических соображений следует, что его можно анализировать вплоть до масштабов 10^-33 см. Если отвлечься от физики и говорить только о пространстве, долгое время, когда делали этот анализ, наталкивались на так называемый парадокс фридмановской космологии. Решения, которые получил Фридман, вошли в науку под названием «фридмановская космология». Если вы откроете какую-нибудь энциклопедию, изданную лет 10–15 назад, то там будет написано, что Вселенная может быть открытая или замкнутая. Открытая Вселенная бесконечно расширяется, замкнутая Вселенная расширяется до какого-то момента, а потом сжимается, плоская Вселенная тоже будет расширяться бесконечно, но по другому закону. Причем слова «открытая», «замкнутая» и «плоская» отождествлялись с геометрией Вселенной. У открытой Вселенной была геометрия пространства постоянной отрицательной кривизны, в ней сумма углов треугольника меньше 180°, у плоской – 180° и у замкнутой Вселенной сумма углов треугольника больше 180°.

Любопытно, что еще в конце 20-х годов XIX века Гаусс в Тюрингии пытался измерить кривизну пространства. На трех горах методом триангуляции он измерял углы треугольников и получал 180°. И хотя, согласно общей теории относительности, кривизна пространства у поверхности Земли все-таки есть, потому что Земля – это тяготеющее тело, но кривизна эта очень мала, а точность измерения была такая, что не позволяла ее заметить. Поэтому из его результатов автоматически не следовало, что пространство плоское.

Но вот к 80-м годам XX века появилось слишком много указаний на то, что ранняя Вселенная ведет себя совсем не так, как Вселенная, которую мы сейчас видим. Стало ясно: чтобы разрешить парадоксы, которые возникали при анализе очень ранней Вселенной, нужно так изменять пространство Вселенной, чтобы оно вело себя не так, как оно вело себя даже в соответствии с обычными классическими уравнениями Эйнштейна. В это время была предложена гипотеза, которая получила название «инфляционная Вселенная». Основная ее идея состоит в том, что для того, чтобы согласовать все наблюдения в нашей Вселенной, в очень ранние времена на планковских масштабах, при возрасте 10^-40–10^-43 секунды, надо вводить некую субстанцию, которую физики называют «скалярным полем». На самом деле эта субстанция не похожа на обычную материю, она не состоит из атомов – в те времена и атомов, конечно, никаких не было, ни молекул, ни электронов, ни фотонов, то есть ничего похожего на обычную материю, которая наблюдается сейчас во Вселенной и из которой состоит видимый мир. А было скалярное поле, которое обладало совершенно удивительными свойствами. Математически и физически правильная аналогия скалярного поля состоит в том, что рассматривается горка и шарик, который начинает медленно скатываться по горке, – и это скалярное поле тоже начало «скатываться» по этой «горке». Это наглядная аналогия уравнениям инфляционной модели. Причем оно скатывалось не просто так. В обычной жизни если вы станете на лыжи, то поедете с горки с ускорением. Здесь же введена еще некоторая сила трения, так что это скалярное поле начинает скатываться очень медленно, оно «ползет» по этой самой стеночке и в это время эффективно создает в той маленькой Вселенной колоссальную антигравитацию. Если гравитация действует как притяжение, то антигравитация действует как отталкивание. В результате Вселенная от этого маленького размера за очень короткое время, буквально за 10^-30 сек., увеличила свой размер в е⁷⁰ раз (е=2.71828… – это основание натурального логарифма). Маленький (планковский) размер первоначальной Вселенной на этой стадии превратился в колоссально большую область пространства. Причем нельзя думать, что эта Вселенная была погружена, как шарик, в некое объемлющее его еще большее пространство, и этот шарик увеличивал свои размеры относительно каких-то координат, – это неверная аналогия. Правильнее рассматривать равномерное увеличение всего пространства (хорошо известная двумерная аналогия – увеличивающаяся поверхность надуваемого воздушного шара; если бы мы были некими двумерными существами, живущими на этой – хочется сказать «в этой» – поверхности и не знающими о существовании «объемлющего» поверхность пространства, вопрос о том, куда расширяется эта поверхность, для нас не имел бы никакого смысла!).

Быстрое (говорят, инфляционное) расширение происходило, пока шарик падал «в самую низкую точку», в минимум потенциала. Здесь начинаются затухающие колебания (так как есть эффективное «трение»). Когда поле начинает колебаться вблизи минимума, оно теряет свою энергию. По современным представлениям, эти потери тратились на рождение элементарных частиц (кварков, лептонов, фотонов и др.), из которых впоследствии и образовалось современное вещество. В тот момент, через 10^-30 сек. после начала расширения Вселенной, стало рождаться обычное вещество. Это были не металлы какие-нибудь или атомы, это были кварки, электроны и фотоны, то есть самые элементарные частицы, и температура их была колоссальна. Здесь ничто не могло больше образоваться. Потом в расширяющейся Вселенной весь этот «первичный бульон» стал остывать, из него сначала появились протоны, нейтроны. Потом протоны и нейтроны через одну секунду после «начала» расширения (которое в англоязычной литературе называют Большим Взрывом) стали образовывать легчайшие ядра элементов (это называется эпохой первичного нуклеосинтеза) – в основном водорода, гелия и их изотопов. А Вселенная в это время продолжала расширяться и остывать (но уже, так сказать, по инерции – первичная субстанция, порождавшая антигравитацию, распалась). Температура в ту эпоху была примерно миллиард градусов.

Мы начали с возраста Вселенной в 10^-43 сек. и дошли до одной секунды, за это время распалось первичное скалярное поле и Вселенная обрела колоссальный размер. Насколько велик этот размер, сказать трудно. Размер современной причинно-связанной области Вселенной (как говорят, горизонта событий), определенный по недавним блестящим экспериментами по наблюдениям реликтового 3-градусного фона, порядка 10²⁸ см, а что за ней – мы не знаем. Границы этой области расширяются со скоростью света. Но сама Вселенная значительно больше, чем эти 10²⁸ см, во сколько раз – никто не знает. Может, она во столько же раз больше, может, еще в 10¹⁰⁰ раз больше V – все зависит от того, как происходило первичное расширение. При этом получается замечательный факт: какой бы топологически сложной ни была Вселенная на ранней стадии, невероятно сложную можно придумать топологию, но из-за того, что она в краткий миг расширилась в е⁷⁰ раз, все неоднородности, которые у нее были, выровнялись до такой степени, что внутри причинно-связанной области осталась практически плоская поверхность. Это основное предсказание этой теории – то, что мы должны жить в пространстве плоском, евклидовом. Ни геометрии Лобачевского, ни геометрии на сфере во Вселенной быть не должно (точнее говоря, поправки отличия свойств пространства от евклидовой геометрии могут сказываться на масштабах, заметно превосходящих размер современного горизонта событий, – так, для муравья на идеальной сфере с радиусом Земли в 6 тысяч километров его среда обитания с радиусом в несколько десятков метров кажется совершенно плоской!). И понадобилось 19 лет для того, чтобы в 1999 году с помощью наблюдений реликтового излучения удалось измерить эти самые знаменитые «углы треугольника» во Вселенной, причем сделано это было очень остроумным способом.

Пусть имеется некий стандартный метр. Если я буду удалять его от наблюдателя, его угловой размер будет уменьшаться и в конце концов превратится в очень маленькую точку, но если я знаю расстояние до этого объекта и знаю его угловые размеры, то я могу сказать, чему равны углы между лучами, которые исходят от краев этого метра, который мы наблюдаем. Итак, нужен был «стандартный метр», унесенный на далекое расстояние. Естественно, что во Вселенной с отрицательной кривизной наблюдался бы один угловой размер, с положительной – другой угловой размер, в плоской – третий. Причем, зная расстояние до «метра», эти углы можно было вычислить. Вот такой стандартный метр нашелся, он оказался скрыт в реликтовом микроволновом излучении. Оно образовалось примерно через 300 тысяч лет после начала расширения, когда протоны и электроны образовали атомы водорода, и фотоны стали свободно распространяться; до этого момента фотоны фактически были «заперты» среди большого количества рассеивающих их заряженных частиц. А после рекомбинации фотоны стали свободно распространяться и доходят до нас в настоящий момент времени. Естественно, из-за расширения Вселенной длины волн фотонов увеличиваются из-за эффекта Допплера, их энергия уменьшается и мы регистрируем «холодные» фотоны реликтового фона с температурой около 2,7 градуса Кельвина. По флуктуациям, то есть по неоднородностям температуры этого реликтового фона, который является наибольшим носителем информации о ранней Вселенной в настоящее время, удалось измерить геометрию Вселенной. Она оказалась с высокой степенью точности плоской. Если у нее и есть кривизна, то она совершенно ничтожная, необыкновенно маленькая, т. е. ее радиус гигантский. Если даже мы стоим на Земле и не замечаем ее кривизны, а ее радиус всего 6400 км, то представьте, что мы живем на шаре с радиусом 10²⁸ см! Свет будет идти до границы этой области 13 миллиардов лет, это невероятно далеко. И поэтому сумма углов треугольника в таком пространстве с колоссальной точностью составляет 180°. Любое пространственное сечение четырехмерной Вселенной в фиксированный момент времени обладает геометрией Евклида.