Происхождение Вселенной - [46]

Космический микроволновый фон (КМФ)

Открытое случайно в 1964 году в виде фонового шипения в гигантском радиометре[7], это холодное море излучения рассматривается теперь как решающее доказательство Большого взрыва. Самый древний свет во Вселенной, он отправился в путь через 380 тысяч лет после Большого взрыва. К этому времени космос уже достаточно остыл и сформировались первые атомы, а фотоны начали летать свободно. Различные космические зонды, исследующие это излучение, в том числе запущенная в 2009 году обсерватория «Планк», составили подробную карту вариаций КМФ и предоставили нам информацию о самых ранних годах жизни Вселенной и о ее сегодняшнем состоянии.

Проблемы

Проблема 1: Темная материя

Количество видимого вещества в галактиках не способно объяснить их слишком быстрое вращение.

Земля вращается вокруг Солнца со скоростью, определяемой ее расстоянием до Солнца, солнечной массой и гравитационной постоянной, которая является универсальной константой природы. Для того чтобы найти эту скорость, общая теория относительности не понадобится: достаточно одних старых добрых школьных законов Ньютона. Те же законы можно применить к далеким галактикам, которые вращаются вокруг общего центра масс.

В 1930-е годы астроном Фриц Цвикки, однако, обнаружил, что внешние области скопления галактик Волос Вероники вращаются гораздо быстрее, чем это позволяет видимая масса скопления. В 1970-е годы Вера Рубин наблюдала группу спиральных галактик, похожих на Млечный Путь, и подтвердила, что в них существует аналогичное несоответствие. По ее оценкам, на одну часть видимой материи в этих галактиках должно приходиться шесть частей невидимой материи.

Темная материя должна воздействовать на движение через гравитацию, но вряд ли через другие силы природы. Стандартная модель физики элементарных частиц не располагает частицами, которые удовлетворяли бы нужным требованиям. Попытки обнаружить частицы темной материи вне этой стандартной модели или создать их в результате столкновений высокоэнергетических частиц до сих пор успехом не увенчались.

Проблема 2: Темная энергия

Вселенная разлетается все быстрее и быстрее.

В конце 1990-х годов две группы ученых, наблюдавших далекие сверхновые, обнаружили, что эти звездные вспышки всякий раз оказывались слабее, чем ожидалось. Ученые пришли к выводу, что путь, который пришлось преодолеть свету, чтобы дойти до нас, «растянулся» и стал длиннее, чем должен был быть. То есть сверхновые были дальше от нас, чем предполагалось.

Темная энергия – название для той субстанции, которая вызывает это расширение с ускорением. Она доминирует в космосе, составляя 68 % всего сущего во Вселенной. Но что же это такое? Возможно, это энергия вакуума, подобная той, которую могут создавать квантовые частицы, выскакивающие и растворяющиеся в свободном пространстве. Возможно, это воскрешение космологической постоянной, которую Эйнштейн ввел в уравнения общей теории относительности, а затем отбросил. А возможно, темная энергия есть некая «квинтэссенция»[8], еще неоткрытая пятая сила природы.

Обе субстанции порождают свои сложности для теории, но в принципе возможен и другой подход. Например, разные области Вселенной, в которой плотность вещества переменна, могут расширяться по-разному, приводя к иллюзии расширения с ускорением. Поэтому, если мы отбросим космологический принцип, мы могли бы избавиться от темной энергии.

Проблема 3: Инфляция

Расширение со сверхсветовой скоростью порождает множество других вселенных.

Вглядитесь пристальнее во Вселенную – и вы столкнетесь с несколькими проблемами, которые трудно разрешить. Она почти геометрически «гладкая», и даже удаленные ее области имеют почти одинаковую температуру.

Космическая инфляция одним махом решает эти проблемы. В первые мгновения Вселенная расширялась быстрее скорости света (понятие предельной скорости света применимо только к объектам внутри Вселенной), что разгладило морщины в ее ранней хаотической сущности. Это означает, что ныне весьма отдаленные друг от друга окраины Вселенной когда-то были тесными соседями и могли обмениваться теплом.

В 2014 году исследователи провозгласили, что они увидели рябь от инфляции, запечатленную в космическом микроволновом фоне. Но это сообщение оказалось ошибочным, и остается неясным, что заставило раннюю Вселенную раздуваться. Проблема в том, что инфляцию очень трудно остановить, и она может привести к возникновению мультивселенной, состоящей из причинно не связанных друг с другом вселенных, которые в конечном итоге отпочковываются друг от друга.

Одним из выходов может быть ослабление требования постоянства скорости света. Если в ранней Вселенной свет распространялся быстрее, это могло бы решить проблему с температурой. Может быть, скорость света падает и сейчас, но это падение невозможно обнаружить даже с помощью самых чувствительных приборов.

Проблема 4:

Объединение взаимодействий

Наши теории реальности не согласуются друг с другом.

Гравитация – единственная сила в природе, которую не удается описать с помощью квантовой теории. Кроме того, любая попытка применить к ней квантовую теорию (т. е. представить ее в виде обмена частиц, называемых гравитонами, а не в виде искривлений пространства-времени, как об этом говорит общая теория относительности) разрывается в клочья из-за появления бесконтрольных бесконечностей, которые делают все вычисления бессмысленными. Это большая проблема для физиков. При взаимодействии элементарных частиц гравитация обычно так слаба, что ею смело можно пренебречь. Но в некоторых случаях взаимодействие элементарных частиц нужно рассматривать совместно с гравитацией: например, в черных дырах или на первых этапах рождения Вселенной в Большом взрыве. Без квантовой теории гравитации – первого шага на пути создания теории, объединяющей все взаимодействия, – наука не преодолеет непроницаемый барьер, мешающий нам достичь окончательного прозрения. Кроме того, любая теория квантовой гравитации потребует сломать связь между гравитационной и инертной массой, воплощенную в принципе эквивалентности, а это подрывает краеугольный камень современной физики.