Читайте также
Пушистое пополнение. Кто и как воспроизводит редкие виды животных
Из комедии в драму. Как Мэттью Перри пережил завершение сериала «Друзья»
В Выхино или в Выхине: как и почему трансформируется русский язык?

Последняя теория Хокинга: как менялась Вселенная после Большого взрыва

В издательстве «Бомбора» вышла книга о том, как появились время, гравитация и жизнь на Земле
Wikimedia
Wikimedia

В издательстве «Бомбора» выходит книга «О происхождении времени. Последняя теория Стивена Хокинга» Томаса Хертога – ближайшего сотрудника, ученика и соратника Стивена Хокинга, который проработал с ученым 20 лет. Хертог собрал в ней финальные мысли своего учителя – книга состоит из научных статей, которые были опубликованы еще при жизни Хокинга. С разрешения издательства «Ведомости. Город» публикует отрывок о расширении Вселенной.

Бомбора
Бомбора

Конец 1990-х стал кульминацией «золотого десятилетия» космологических открытий. Космология, невероятная наука, изучающая – ни много ни мало – происхождение, эволюцию и судьбу Вселенной в целом и долго считавшаяся царством неограниченных спекуляций, достигла, наконец, зрелости. Мировое научное сообщество кипело от возбуждения, вызванного ошеломляющими данными наблюдений как с борта оснащенных сложнейшим оборудованием спутников, так и при помощи наземных инструментов. Эти данные изменили нашу картину Вселенной до полной неузнаваемости. Казалось, Вселенная заговорила с нами. Теоретикам был брошен вызов – теперь они могли доказать справедливость своих абстрактных моделей и вытекающих из них предсказаний или признать свою неправоту.

В космологии мы исследуем прошлое Вселенной. Космологов можно назвать путешественниками во времени, а телескопы – их транспортным средством: заглядывая в глубины пространства, мы видим далекое прошлое. Ведь прежде чем достичь нас, свет далеких звезд и галактик шел миллионы или даже миллиарды лет. Еще в 1927 г. бельгийский аббат и астроном Жорж Леметр предсказал, что пространство, если рассматривать его на таких больших временных периодах, расширяется. Но только в 1990-х передовая техника телескопических наблюдений позволила проследить историю расширения Вселенной. Эта история таила в себе неожиданности. Например, в 1998 г. астрономы обнаружили, что примерно пять миллиардов лет назад расширение пространства начало ускоряться – хотя во всех своих известных формах материя обладает свойством притяжения, и, следовательно, расширение должно замедляться. С тех пор физики пытаются понять, не связано ли это странное космическое ускорение с эйнштейновской космологической постоянной и не является ли оно чем-то вроде невидимой эфироподобной «темной энергии», из-за которой у гравитации появляется свойство отталкивания вместо притяжения? «Похоже, Вселенная может оказаться похожей на Лос-Анжелес, – пошутил один астроном, – в ней на треть субстанции и на две трети энергии».

Очевидно: если Вселенная сейчас расширяется, в прошлом она должна была находиться в более сжатом состоянии. Если пустить космическую историю задом наперед – конечно, в виде теоретического упражнения, – то получится, что все вещество в какой-то момент окажется очень плотно упакованным в малом объеме пространства и к тому же очень горячим; ведь при сильном сжатии вещество разогревается и начинает излучать. Такое первичное состояние известно под названием горячего Большого взрыва. Астрономические наблюдения, начавшиеся в «золотые 1990-е» и продолжающиеся до сих пор, позволили определить возраст Вселенной, или время, прошедшее с момента Большого взрыва: 13,8 млрд плюс-минус 20 млн лет. Желание узнать больше о рождении Вселенной росло, и в мае 2009 г. Европейское космическое агентство (ESA) запустило спутник, задачей которого было наиболее полное и детальное из всех, когда-либо проводившихся, сканирование ночного неба. В результате планировалось построить карту распределения флюктуаций таинственного теплового излучения, оставшегося от Большого взрыва. Пропутешествовав в расширяющемся космическом пространстве 13,8 млрд лет, жар от рождения Вселенной достигает нас уже остывшим до 2,725 K, или примерно до минус 270 °C. При такой температуре излучение лежит в основном в микроволновом участке электромагнитного спектра, и поэтому остаточное тепло называют космическим микроволновым фоном, или CMB-излучением.

Бомбора
Бомбора

Усилия, прилагаемые ESA для того, чтобы уловить и описать это древнее, «реликтовое» тепло, достигли кульминации в 2013 г. На первых полосах всех газет мира появилась причудливая пятнистая картина, напоминающая полотно художника-пуантилиста. Это изображение мы видим на рис. 2, и это не что иное, как составленное из миллионов пикселей необыкновенно подробное распределение по всему небу, по всем направлениям в пространстве температуры реликтового CMB-излучения. Можно сказать, что это детальная фотография Вселенной, какой она была примерно через 380 000 лет после Большого взрыва, когда остыла до нескольких тысяч градусов – достаточно, чтобы выпустить на свободу первичное излучение, которое с тех пор, не удерживаемое больше ничем, путешествовало в космосе.

Столь подробные наблюдения CMB-излучения подтвердили, что реликтовое тепло Большого взрыва распределено в пространстве почти – хоть и не идеально – равномерно. «Пятнистость» изображения отражает микроскопически малые различия температуры, крохотные ее колебания, не превышающие стотысячной доли градуса. Но эти мельчайшие вариации критически важны: они отражают положения первичных конденсаций вещества, вокруг которых в конце концов стали формироваться галактики. Ведь если бы область горячего Большого взрыва была полностью однородной, никаких галактик сейчас бы не было.

Послесвечение горячего Большого взрыва

Это тепловая карта неба на микроволновых частотах, построенная по данным названного в честь основателя квантовой физики Макса Планка спутника «Планк» Европейского космического агентства. Сгущения различных оттенков серого соответствуют малым изменениям температуры реликтового космического микроволнового излучения, приходящего к нам с разных направлений на небе. На первый взгляд распределение этих температурных флюктуаций выглядит случайным, но тщательный анализ выявил в нем структуры, связывающие друг с другом различные участки карты. Исследуя эти структуры, космологи могут реконструировать историю расширения Вселенной, построить модель образования в ней галактик и даже предсказать ее будущее.

Карта CMB отмечает положение нашего космологического горизонта, дальше которого мы заглянуть не можем. Но, опираясь на наши космологические теории, мы можем по крупицам восстановить ход процессов, происходивших в еще более ранние эпохи. Как палеонтологи по окаменелостям догадываются, какими были на Земле в далеком прошлом формы жизни, так и космологи, расшифровывая структуры, объединяющие температурные неоднородности, сохранившиеся за миллиарды лет, способны воспроизвести процессы, в ходе которых реликтовая тепловая картина отпечаталась на нашем небе. Карта реликтового CMB-излучения стала космологическим Розеттским камнем, который позволяет нам проследить историю Вселенной далеко назад – возможно, даже понять, какой она была спустя мельчайшие доли секунды после рождения. И то, что мы узнали, оказалось удивительным. Структуры, закодированные в карте вариаций температуры CMB-излучения, показывают, что Вселенная сначала расширялась очень быстро, потом замедлилась, а не так давно (около пяти миллиардов лет назад) опять начала ускоряться. На масштабах, соответствующих самым большим глубинам времени и пространства, это замедление кажется скорее исключением, чем правилом, одной из необъяснимых счастливых случайностей, сделавших нашу Вселенную благоприятной для жизни. Ведь только в замедляющейся Вселенной вещество способно накапливаться и концентрироваться, образуя галактики. Не будь этой паузы в расширении Вселенной, не существовало бы ни галактик, ни звезд, ни самой жизни. Получилось так, что история расширения Вселенной сыграла главную роль в одной из первых попыток вписать наше существование в современную космологческую парадигму. 

В начале 1930-х Леметр в одном из своих маленьких пурпурных блокнотиков сделал примечательный набросок того, что он называл «нерешительной» Вселенной – Вселенной с историей расширения, очень похожей на тот ухабистый путь, который постспенно вырисуется из наблюдений спустя семьдесят лет. Леметр пришел к идее о долгой паузе в расширении Вселенной, раздумывая над вопросом о ее приспособленности для жизни. Он знал: астрономические наблюдения соседних галактик указывали на то, что в последнее время скорость расширения Вселенной была высокой. Но когда он обратил эволюцию Вселенной назад во времени, то оказалось, что при такой скорости все галактики должны были всего какой-то миллиард лет назад столпиться в одной области пространства. Это, конечно, было невозможно – ведь и Земля, и Солнце были гораздо старше. Чтобы избежать очевидного противоречия между историями Вселенной и Солнечной системы и дать звездам, планетам и жизни время на развитие, Леметр предположил, что в истории Вселенной должна была быть эра очень медленного расширения. На протяжении нескольких десятилетий после пионерской работы Леметра физики продолжали натыкаться еще на многие другие «счастливые совпадения», делающие Вселенную поразительно благоприятной для жизни. Достаточно было бы малейшего изменения почти в любом из основных ее физических свойств, от поведения атомов и молекул до структуры космоса на самых больших масштабах, чтобы обитаемость Вселенной повисла на волоске.

Возьмем хотя бы тяготение, силу, которая формирует крупномасштабную структуру Вселенной. Действие гравитации крайне слабое: требуется огромная масса Земли, чтобы удерживать нас на ее поверхности. Но будь сила всемирного тяготения чуточку больше, звезды сгорали бы быстрее и умирали бы раньше, не оставляя времени для развития сложных форм жизни ни на какой из планет, обращающихся вокруг них и согреваемых их теплом.

Самое популярное
Наш город
Москва возглавила 30 национальных рейтингов городов и регионов России
По итогам 2024 года столица подтвердила свое лидерство в экономике, экологии и инновационном развитии
Наш город
Свободная проходная: экскурсии на предприятия пользуются спросом у москвичей
Столичные власти отвечают на этот запрос расширением количества предприятий-участников
Свободное время
Весна близко: как отметить Масленицу в Москве
Праздничные гуляния, посвященные проводам зимы, пройдут на 30 площадках столицы
Наш город
Прогулки у воды: на острове Балчуг появится новый пешеходный маршрут
Собянин утвердил проект общественного пространства под Малым Каменным мостом
Свободное время
Илья Волошин: «Отечественное виноделие переживает ренессанс»
Известный шампанист – о том, почему имеет смысл инвестировать в виноградники
Горожане
Собянин вручил медали «80 лет Победы» ветеранам Великой Отечественной войны
Мэр также наградил орденами участников спецоперации
Наш город
Ставка на инновации: столица сосредоточилась на высокотехнологичном производстве
Положительную динамику показывает выпуск компьютеров, оптики и электроники
Наш город
Гид со знаком качества: как в Москве проходит аттестация экскурсоводов
С 1 марта 2025 года экскурсии по столице могут проводить только специалисты, подтвердившие свою квалификацию
Наш город
На конкурс по воссозданию исторических павильонов ВДНХ подано более 300 заявок
Молодые архитекторы и творческие коллективы должны представить проекты до 31 мая 2025 года
Культурный город
На конкурс кадрового резерва от депкульта Москвы пришли заявки из 46 регионов
Прошедшие экспертный отбор повысят квалификацию в ведущих творческих вузах
Культурный город
Дворянское гнездо: в усадьбе Валуево восстановят 10 исторических объектов
Также завершены работы по реставрации особняка Лоськова в Мансуровском переулке
Наш город
Подъемная сила: в Москве откроется первый в России кластер лифтостроения
Он будет создан на базе Карачаровского механического завода
Благотворительность
Учатся и работают: в студотрядах Москвы состоят более 3000 волонтеров
Сергей Собянин поздравил горожан с Днем российских студотрядов
Умный город / Галерея
Центральный университет откроет новый кампус в здании Центрального телеграфа
Объект культурного наследия на Тверской улице приобретен у девелопера Vos`hod
Горожане
Важен каждый: в голосовании о московском цирке приняли участие 100 000 человек
На платформе «Активный гражданин» горожане могут высказаться о его будущем