Все самые большие загадки в физике, включая темную материю, антивещество и инфляцию, уходят своими корнями в первые мгновения существования Вселенной.
Лишь немногим более столетия назад родилась наука - космология. Из радикальных идей Альберта Эйнштейна и наблюдательных данных о расширении пространства возникла современная космологическая парадигма, известная как Большой взрыв. Впервые в истории люди начали понимать, с чего начиналась их Вселенная.
После десятилетий наблюдений и измерений мы узнали, как наша Вселенная расширялась и развивалась за все время существования, кроме первых моментов своей истории.
Проведённые наблюдения подтвердили предсказания теории Большого взрыва в невероятной и откровенно неожиданной степени. Скорость, с которой наша Вселенная расширилась за последние 13,8 миллиардов лет, согласуется с уравнениями, выведенными из общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна почти сто лет назад, и измерения крупномасштабного распределения галактик и скоплений галактик практически неотличимы от того, что предсказала ОТО.
И что самое впечатляющее, детальная картина изменений температуры, наблюдаемая на космическом микроволновом фоне, стала сокровищницей для космологов, открывая нам все - от количества вещества, присутствующего в нашей Вселенной, до крупномасштабной геометрии самого пространства.
Спустя несколько сотен тысяч лет после Большого взрыва до наших дней у нас есть широкий спектр наблюдений и измерений, на которые можно положиться, и этот массив данных дал нам уверенность в том, что мы достаточно хорошо понимаем эту часть истории нашей Вселенной.
Но когда мы возвращаемся в самому началу космической истории, наша уверенность начинает падать.
Наблюдения и измерения говорят нам, что скорость расширения и количество вещества и энергии в нашей Вселенной не могли сильно отличаться от тех, которые предсказывали наши расчеты. Тем не менее, отрицать, что важные и неизвестные космологические события могли иметь место в течение этого периода, было бы слишком самонадеянно.
Тайны первых секунд Вселенной
Возвращаясь к самому началу - к первым секундам и долям секунды после Большого взрыва, мы вынуждены признать, что по существу нет прямых наблюдений, на которые можно положиться. Эта эра остается скрытой от нашего взгляда, скрытой за непроницаемыми слоями энергии, расстояния и времени.
Можно сказать, что наше понимание того периода космической истории во многих отношениях лишь чуть больше, чем обоснованное предположение, основанное на умозаключениях и экстраполяции.
Несмотря на все успехи современной космологии, в нашей Вселенной многое остается неизвестным. Самая известная из этих "неизвестностей" - таинственная темная материя.
Астрономы и космологи определили, сколько вещества существует в нашей Вселенной с очень высокой степенью точности, и это намного больше, чем существует в форме атомов. После десятилетий измерений и споров мы знаем, что большая часть материи в нашей Вселенной состоит не из каких-либо известных веществ, а из чего-то еще, что не излучает, не отражает и не поглощает свет.
За последние несколько десятилетий физики были вовлечены в амбициозную экспериментальную программу, цель которой - раскрыть, что это за вещество и как оно образовалось в результате Большого взрыва. Но, несмотря на первоначальный оптимизм, мы остаемся в неведении относительно темной материи и ее природы.
Эксперименты выполнены так, как было задумано, но мы ничего не увидели. Темная материя оказалась гораздо более неуловимой, чем мы когда-то себе представляли, заставляя нас отказаться от многих наших любимых теорий и рассмотреть радикально новые идеи о том, чем может быть темная материя и как она могла сформироваться в первые мгновения после Большого взрыва.
Даже происхождение «обычной» материи таит в себе свои упрямые секреты. Хотя протоны, нейтроны и электроны и атомы, которые они формирую, могут быть легко созданы с помощью хорошо понятных процессов, аналогичные процессы также создают равное количество более экзотических частиц, известных как антивещество.
Всякий раз, когда частицы вещества и антивещества вступают в контакт друг с другом, оба уничтожаются. Так почему же тогда наша Вселенная содержит так много материи и так мало антиматерии? На самом деле, почему это вообще так важно?
Если бы материя и антивещество были созданы в равных количествах в разгар Большого взрыва - как мы и ожидали, исходя из нашего нынешнего понимания физики, - тогда почти все это было бы давно уничтожено, в результате чего наша Вселенная не имела бы атомов. И все же вокруг нас есть атомы и мы видим Вселенную.
Очевидно, что больше материи, чем антивещества, должно было быть создано в первые доли секунды истории нашей Вселенной. Мы не знаем, как и когда это произошло, или какой механизм был ответственным. Но каким-то образом что-то в условиях ранней Вселенной позволило "семенам" атомов - и всей химии, включая жизнь - пережить жар Большого взрыва.
Возвращаясь еще дальше во времени, мы приходим к тому, что является, пожалуй, самой интригующей из наших космических загадок. Чтобы осмыслить нашу Вселенную в том виде, в каком мы ее наблюдаем, космологи были вынуждены сделать вывод, что пространство в самые ранние моменты должно было пройти короткий период сверхбыстрого расширения.
Хотя эта эпоха инфляции длилась чуть дольше, чем одна миллионная часть из одной миллиардной из одной миллиардной миллиардной доли секунды, она полностью изменила нашу Вселенную. Во многих отношениях можно считать конец инфляции истинным началом Вселенной, в которой мы живем.
Несмотря на выявление множества убедительных причин полагать, что инфляция действительно имела место, космологи все еще очень мало знают и понимают эту раннюю, ключевую эру нашей космической истории.
И, наконец, в 1990-х годах космологи приступили к амбициозной программе по измерению более поздней истории расширения нашей Вселенной, позволяющей нам определить геометрию и окончательную судьбу нашего мира. Считалось, что впервые мы сможем узнать, будет ли наша Вселенная продолжать расширяться вечно, или вместо этого, в конце концов, развернется и схлопнется.
Эти измерения в конечном итоге были успешными, но они показали нам то, чего ожидали очень немногие ученые: наша Вселенная не только расширяется, но расширяется с ускоряющейся скоростью.
Чтобы объяснить этот факт, мы были вынуждены сделать вывод, что наша Вселенная содержит огромное количество так называемой темной энергии, заполняющей все пространство и разделяющей ее. Но все наши усилия, направленные на то, чтобы понять это явление оказались тщетны. Мы просто не понимаем, что такое темная энергия или почему она существует в нашей Вселенной.
Каждая из этих головоломок тесно связана с первыми моментами, последовавшими за Большим взрывом.
Точно так же, тот простой факт, что атомы существуют в нашем мире, показывает, что эти самые ранние моменты должны были включать события и взаимодействия, о которых мы до сих пор ничего не знаем. Космическая инфляция также имела место в эти самые ранние времена и могла быть связана с существованием темной энергии.
Все эти величайшие тайны нашей Вселенной прочно связаны с ее первыми моментами.
Как мы раскроем эти тайны?
В настоящее время ученые занимаются созданием телескопов, которые будут по-новому и с большей точностью измерять свет, известный как космический микроволновый фон.
Есть основания полагать, что эти измерения позволят космологам больше узнать об инфляции, например, когда она произошла и какие виды энергии могли ее вызвать. В более отдаленном будущем космические детекторы гравитационных волн предоставят нам новый способ наблюдения ранней Вселенной, потенциально обнаруживая сигналы от инфляции, а также от любых фазовых переходов, которые могли иметь место в первые моменты нашей Вселенной.
Однажды мы можем даже начать обнаруживать и изучать частицы, известные как нейтрино, которые были созданы в результате Большого взрыва.
Ясно, что наши величайшие космические загадки связаны с первыми моментами нашей Вселенной. Как наша Вселенная стала содержать так много материи и так мало антиматерии? Как образовалась темная материя? Кажется, наша Вселенная пережила краткий период сверхбыстрого расширения, но как и почему? И связано ли это с тем, что наша Вселенная теперь снова расширяется с ускоряющейся скоростью?
Сегодня это открытые вопросы. Но сегодняшняя тайна - это завтрашнее открытие. Опираясь на новые данные, наблюдения и идеи, человечество будет стремиться пролить свет на эти сложные вопросы. И с этим светом мы увидим прошлое глубже и яснее, чем когда-либо прежде - ближе к самому началу времени.
