Эксперимент: надуваем Вселенную

 

Чтобы понять, почему Большой взрыв произошел буквально у вас под носом и почему мы оказались в центре Вселенной, купите воздушный шарик. Нанесите на него фломастером несколько точек. Они будут символизировать галактики. Слегка надуйте шарик и отметьте, на каком расстоянии друг от друга находятся галактики. Надуйте его посильнее и повторите измерение. Что происходит?

Точки, обозначающие галактики, удаляются друг от друга. Однако на самом деле они не перемещаются по поверхности шарика, а по‑прежнему остаются на том же участке резины, где и были раньше, вот только сам шарик становится больше. Поэтому, в какой бы точке пространства вы ни находились, все галактики будут удаляться от вас, и ни одна из них не может претендовать на центральное место во Вселенной.

А теперь начинайте выпускать воздух из шарика. Он становится все меньше и меньше. Похоже на то, как если бы вы запустили время вспять. В действительности шарик будет уменьшаться до тех пор, пока не достигнет первоначального размера. Но представьте, что он продолжает уменьшаться, пока не превратится в крошечную точку. В эту точку войдет каждый участок резины шарика. Какой бы фрагмент надутого шарика вы ни выбрали, он будет находиться в этой точке. Таким образом, Большой взрыв произошел повсюду во Вселенной. Где бы вы ни находились, вы можете с полным правом сказать, что это и есть место Большого взрыва, потому что вся Вселенная является той точкой, с которой все началось.

Почему же некоторые галактики движутся в нашем направлении? Потому что сила тяжести сближает их быстрее, чем происходит расширение Вселенной. Примерно через пять миллиардов лет Андромеда врежется в наш Млечный Путь, и после возникшего в результате хаоса со временем образуется новая супергалактика. Если вы тревожитесь по поводу судьбы Земли, успокойтесь. Во‑первых, вы до этого не доживете, а во‑вторых, Земля к тому времени будет поглощена расширяющимся Солнцем, которое превратится в красного гиганта.

Таким образом, Большой взрыв произошел повсюду во Вселенной. Поэтому для улавливания эха Большого взрыва, или, говоря научным языком, фонового космического излучения, вам не нужен направленный радиотелескоп. Оно идет отовсюду. Если бы ваши органы чувств были способны улавливать микроволны, вы бы повсюду видели свечение, оставшееся с раннего периода Вселенной. Оно фиксируется с помощью специальной аппаратуры.

Мы не можем проследить все события вплоть до самого Большого взрыва, потому что в самом начале Вселенная была настолько компактна и заполнена энергией, что свет не мог пробиться сквозь нее. Это примерно то же самое, что попытка видеть сквозь Солнце. Однако спустя 300 тысяч лет Вселенная достаточно охладилась и стала прозрачной для гамма‑лучей, обладавших колоссальной энергией, то есть для света в его самой мощной форме.

Все это время Вселенная продолжала расширяться, создавая больше и больше пространства для света (который шел отовсюду). Одним из следствий расширения пространства является снижение уровня энергии. Представьте себе, что кто‑то бросает в вас тяжелый мяч. А теперь представьте, что он бросает в вас тот же мяч, но при этом убегает от вас на полной скорости. Во втором случае мяч ударит вас слабее, потому что в нем меньше энергии. Часть ее будет потрачена на преодоление дистанции. Точно так же свет из расширяющейся Вселенной обладает меньшей энергией, чем первоначально. А если фотоны теряют энергию, то они смещаются в нижнюю часть спектра.

Видимый свет сдвигается в сторону красной части спектра (так называемое красное смещение), а гамма‑лучи со временем постепенно превращаются в рентгеновские, ультрафиолетовые, видимый свет, инфракрасное излучение и, наконец, в микроволны. Именно эти микроволны, улавливаемые спутниками, позволяют составить представление о последствиях Большого взрыва и создают помехи на телевизионных экранах.

 

А был ли Большой взрыв?

 

Здесь следует сделать небольшую оговорку. Теория Большого взрыва является на данный момент самым подтвержденным предположением о том, с чего началась Вселенная, однако ее нельзя считать абсолютной истиной. Кроме того, серьезные ученые обсуждают и некоторые другие теории. Нам приходится иметь дело с косвенными данными, и не только потому, что мы не способны заглянуть за границу 300 тысяч лет с момента образования Вселенной. Все свидетельства, которыми мы располагаем, подтверждают теорию Большого взрыва, но имеются и некоторые неувязки.

Например, согласно теории Большого взрыва, исходной точкой являлась так называемая сингулярность, в которой не существовало ни пространства, ни времени и для которой была характерна бесконечно высокая плотность и температура. Но когда речь заходит о бесконечных величинах, становятся бесполезными все уравнения, способные предсказать поведение системы. Теория, на которой основана идея Большого взрыва, в этот момент перестает работать. Поэтому мы не можем быть абсолютно уверены в том, что Большой взрыв стал началом всего, так как математический аппарат, используемый в расчетах, отказывает как раз в тот момент, когда он нужнее всего.

Существуют другие теории, которые позволяют обойти проблемы, связанные с сингулярностью, но и они не лишены недостатков. На данный момент Большой взрыв остается самой лучшей теорией, поэтому имеются все основания признать ее как факт. Однако лабораторных экспериментов, которые мы могли бы провести для ее подтверждения, не говоря уже о прямых наблюдениях в космосе, не существует. Это умозаключение, полученное на основании различных косвенных свидетельств. Мы имеем дело всего лишь с моделью.

 

Игры с моделями

 

Говоря о модели, мы имеем в виду не некий материальный макет. Конечно, в науке иногда строятся и такие модели. Самым известным примером может служить работа Крика и Уотсона по определению структуры ДНК. Они начали с того, что построили часть молекулы ДНК из палочек и шариков. Однако, когда ученые говорят о моделировании, они обычно имеют в виду создание математических моделей. Это набор правил и чисел, которые в результате расчетов должны дать такой же результат, который наблюдается в реальном мире. Если модель и действительность совпадают, то вы, возможно, нашли объяснение реально происходящим во Вселенной событиям. Если же модель предсказывает одно, а на деле мы наблюдаем другое, значит, пора создавать новую теорию.

Так, например, мы обнаружили, что галактики ведут себя «неправильно». Единственной силой, удерживающей их вместе, является гравитация. Естественно, должна существовать и противоположно направленная сила, пытающаяся отдалить их друг от друга. Как и почти все объекты в космосе, галактики вращаются. Если вы взглянете на галактику Андромеда невооруженным глазом, то увидите лишь маленькое размытое световое пятнышко. Возможности человеческого тела поразительны, но порой приходится призывать на помощь технику. Современные телескопы позволяют увидеть достаточно деталей, чтобы сделать вывод о том, что любая галактика действительно вращается вокруг своего центра. В результате этого вращения звезды стремятся разбежаться в разные стороны по прямой линии, и удерживает их от этого лишь сила тяготения, направленная к центру галактики.

Вот тут‑то и начинаются неувязки. Наблюдения показывают, что наша модель не соответствует действительности. Если подсчитать массу всего вещества в обычной галактике, то получается, что при такой скорости вращения ее недостаточно, чтобы удержать все звезды вместе. По теории они должны были бы разлететься в разные стороны. Значит, помимо известной нам гравитации, существует еще какая‑то сила.

Разумеется, мы можем увидеть далеко не всю материю в галактике. Нам видны звезды и светящиеся пылевые облака, однако вне нашего поля зрения остаются планеты, черные дыры и скопления остывшей темной пыли. Но даже если мы сделаем поправку на них, все равно массы оказывается недостаточно. Самая популярная модель, объясняющая этот феномен, предполагает наличие так называемой темной материи. Мы не знаем, что это такое (хотя некоторые догадки на этот счет имеются), но в общих чертах речь идет о дополнительной массе, которая создает недостающее тяготение. Темная материя не взаимодействует с электромагнитным излучением (а следовательно, и со светом), поэтому не может быть обнаружена обычными методами.

Правда, это не единственная модель. Существует также теория, согласно которой в масштабах галактики гравитация проявляется несколько иначе. В конце концов, мы же знаем, что Вселенная ведет себя совершенно по‑разному на квантовом уровне и в обычном мире. Так почему бы не предположить, что в галактических масштабах действуют особые правила? Эта теория называется модернизированной ньютоновской динамикой. Оказывается, достаточно внести лишь очень небольшие поправки в гравитационный эффект, чтобы объяснить повышенную скорость вращения галактик.