Если представить себе Большой взрыв как взрыв, мы можем проследить его происхождение до одной точки. Но что, если он произошёл повсюду одновременно?
Одна из самых сложных для понимания концепций для любого человека, даже профессионального астрофизика, — это идея Большого взрыва и расширяющейся Вселенной. Вдали, на пределе того, что могут видеть даже самые мощные телескопы, находятся галактики, удаляющиеся от нас с такой скоростью, что свет, излучаемый их звёздами, растягивается до длины волны, в двенадцать раз превышающей первоначальную. Эти растянутые световые волны — следствие расширения Вселенной, и они почти, хотя и не совсем, идентичны для галактик, которые мы видим во всех направлениях пространства.
Говорит ли нам эта разница и тот факт, что в одном направлении красное смещение объектов немного больше, чем в противоположном, что-либо о том, где на самом деле, все эти миллиарды лет назад, произошёл Большой взрыв? Именно это и хочет узнать Финли Мэтисон, задавая вопрос:
«Если использовать красное смещение для света, приближающегося к нам, и синее смещение для света, удаляющегося от нас, можем ли мы определить, где мы находимся во Вселенной относительно источника Большого взрыва?»
В астрофизике мы обычно этим не занимаемся, и на то есть веские причины, но могли бы. Давайте сначала посмотрим, что мы узнаем, если сделаем это, а затем разберёмся, почему мы этого не делаем.
Глядя на Вселенную, мы видим поразительно устойчивую зависимость между светом, который мы измеряем от галактик, и их предполагаемым расстоянием. В среднем, как подтверждено для тысяч и тысяч галактик на самых разных расстояниях, чем дальше от нас находится галактика, тем больше смещение её света в красную область. Мы не только наблюдаем эту зависимость во всех направлениях, но и её поразительная простота: скорость, с которой, по нашему мнению, движутся эти галактики, прямо пропорциональна их измеренному расстоянию от нас.
Это ключевое наблюдение, впервые сделанное ещё в 1920-х годах, привело космологов к выводу о расширении Вселенной. Чем дальше объект, тем быстрее он удаляется от нас: это правило действует, насколько нам известно, уже почти целое столетие. Однако, если взглянуть на него с очень высокой степенью детализации, мы увидим очень, очень незначительные различия в направлениях: в одном направлении объекты лишь немного смещены в красную область спектра, чуть больше среднего, а в противоположном направлении объекты лишь немного смещены в синюю область спектра, чуть больше среднего.
В каком-то смысле это имеет смысл. Представьте, что Вселенная не идеально однородна, а скорее имеет гравитационное несовершенство:
- области пространства, в которых содержится больше материи, чем в среднем, такие как звезды, галактики, группы и скопления галактик,
- и области пространства, содержащие меньше материи, чем в среднем, известные как космические пустоты, которые потеряли свою материю в более плотных, богатых структурой областях.
Если материя во Вселенной притягивает все, и эта материя распределена неравномерно, то вполне естественно, что все — близкие и далекие галактики, и даже наш Млечный Путь и Местная группа — будет притягиваться и отталкиваться гравитационным влиянием всего окружающего.
Если всё приводится в относительное движение силами взаимного тяготения, как мы можем точно знать, как именно мы «движемся» относительно остальной Вселенной? К счастью, природа даёт нам такой способ.
Во всех направлениях космоса существует очень холодное, низкоэнергетическое, но повсеместное излучение: реликтовое излучение (CMB). Первоначально это было предсказано ещё в 1940-х годах, когда стало ясно, что если Вселенная расширяется сегодня, то в прошлом она должна была быть меньше. Если расширяющаяся Вселенная растягивает длину волны проходящего через неё света, то это означает, что «перевод часов назад» к более ранним временам подобен сжатию Вселенной и, следовательно, сжатию длины волны проходящего через неё света.
Раньше этот свет должен был обладать большей энергией, и поэтому Вселенная должна была быть горячее. Если представить себе Вселенную в достаточно ранний период, то она могла быть настолько горячей, что даже нейтральные атомы не смогли бы образоваться, поскольку присутствовавшие кванты высокоэнергетического света ионизировали бы эти атомы. Следовательно, по мере расширения и охлаждения Вселенной можно было бы ожидать, что длина волны этого света увеличится, оставив нам однородный низкоэнергетический фон, сохраняющийся до наших дней.
Итак, если мы можем измерить этот фон и обнаружить, что он не идеально однороден, а предпочитает одно направление другому, мы можем использовать это для измерения нашего движения через Вселенную относительно «системы покоя», где произошел Большой взрыв.
Это, что удивительно, было измерено с невероятной точностью. Во Вселенной во всех направлениях средняя температура фонового излучения, обусловленная реликтовым излучением, составляет 2,7255 К: менее трёх градусов выше абсолютного нуля. Но в одном направлении она примерно на 3,4 милликельвина горячее среднего значения, а в противоположном — примерно на 3,4 милликельвина холоднее среднего значения, при этом все остальные направления подтверждают интерпретацию этого как «движения» во Вселенной.
Если перевести это в скорость и учесть движение нашего Солнца через Млечный Путь, то окажется, что наш Млечный Путь движется через Вселенную со скоростью приблизительно 620 километров в секунду: по направлению к созвездию Льва и от созвездия Водолея.
Если мы произведем сложные математические вычисления и предположим, что мы начали с состояния покоя в почти идеально однородной Вселенной, мы сможем подсчитать, насколько далеко это совокупное гравитационное притяжение отдалило нас от начальной точки, где все направления имели бы приблизительно одинаковую температуру.
Ответ? Мы находимся где-то на расстоянии от 14 до 20 миллионов световых лет от этой «центральной» точки; для простоты предположим, что это 17 миллионов световых лет.
Другими словами, если бы можно было взять все галактики по всей расширяющейся Вселенной, измерить, как они удаляются друг от друга в расширяющейся Вселенной во всех трех измерениях, и проследить это движение до одной точки, то именно там и находилась бы эта точка: примерно в 17 миллионах световых лет от того места, где мы находимся сегодня.
Это поразительно близко! В конце концов, мы видим примерно на 46,1 миллиарда световых лет во всех направлениях, а 17 миллионов световых лет — это всего лишь 0,037% радиуса Вселенной от нас.
Совпадение ли это? Неужели мы просто случайно появились в наблюдаемой Вселенной, очень близко к «эпицентру» Большого взрыва, но не точно в нём?
Мы серьёзно сомневаемся в этом. Существуют как наблюдательные, так и теоретические основания, опровергающие эту интерпретацию, и она больше не рассматривается всерьёз как правдоподобное объяснение расширяющейся Вселенной или Большого взрыва.
С теоретической точки зрения, единственная причина, по которой можно проследить видимое движение всех галактик, которые вы видите, до одной точки, — это если бы все они возникли в результате какого-то взрыва. Так же, как если бы взорвалась граната, вы могли бы проследить траекторию осколка, чтобы найти точку взрыва, вы могли бы проследить движение всех галактик, если бы они тоже возникли в результате какого-то взрыва.
Но «взрыв» — это не то же самое, что «расширение». Взрыв — это то, что происходит в космосе, и осколки от этого взрыва разлетаются по пространству. Расширение же — это то, что происходит в пространстве и влияет на то, как объекты в вашей Вселенной воспринимают друг друга.
Лучшая известная мне аналогия — это шарик теста с изюмом. Тесто похоже на космос, а изюм — на галактики внутри него. Вы живёте как часть изюма и видите только другие изюминки, а не само тесто. По мере того, как тесто заквашивается, кажется, что изюминки, находящиеся рядом с вами, удаляются от вас с определённой скоростью, но чем дальше была изюминка, тем быстрее она удаляется от вас. В какой-то момент вы даже увидите, как изюминки удаляются от вас со скоростью, превышающей скорость света; выдающееся явление, которое невозможно в сценарии «взрыва», только в сценарии «расширения».
Фактически, в контексте общей теории относительности Эйнштейна, невозможно, чтобы Вселенная, повсюду заполненная материей и излучением, не расширялась и не сжималась. Если общая теория относительности верна, и Вселенная полна материи и энергии, то с теоретической точки зрения неизбежный вывод заключается в том, что Вселенная не может быть статичной. Другими словами, наблюдение, что объекты удаляются от нас, и чем дальше они от нас, тем быстрее они кажутся удаляющимися, является весьма веским доказательством расширения Вселенной.
Если Вселенная расширяется, это имеет огромные последствия для самого Большого взрыва. Это означает, что Большой взрыв не был взрывом, произошедшим в одной точке, а скорее был началом неустанного расширения, начавшегося в определённый момент времени. В тот момент Вселенная — повсюду и во всех её местах — была заполнена материей и энергией и расширялась и охлаждалась во всех направлениях. Это расширение является одной из причин, почему во Вселенной, которой всего 13,8 миллиарда лет, мы можем видеть объекты, которые сегодня находятся на расстоянии 46,1 миллиарда световых лет. Только если Вселенная расширяется, а не если она взорвалась из одной точки, такие расстояния возможно наблюдать за столь малыми промежутками времени.
Однако это не чисто теоретически обоснованный вывод. Если бы Вселенная началась со взрыва, мы бы ожидали увидеть, что самые далекие, самые быстро движущиеся объекты были бы подобны мельчайшим осколкам: разогнанным до самых больших скоростей. Мы бы ожидали, что чем дальше вы смотрите, тем меньше галактик, и они более разрежены, потому что объем расширяется пропорционально кубу расстояния от центра. И вы бы ожидали, что вы сможете увидеть эти объекты только такими, какими они были определенное количество времени назад: количество времени, которое потребовалось свету, чтобы добраться до ваших глаз. Поскольку этим галактикам сначала пришлось бы пройти отсюда туда, вы бы смогли вернуться назад только на половину возраста Вселенной, и, следовательно, вы никогда не должны видеть галактики, которые были бы моложе примерно 6,9 миллиарда лет.
Однако все эти предсказания противоречат тому, что мы видим. Чем дальше вы смотрите, тем больше галактик вы видите в данном объёме пространства, поскольку Вселенная расширилась на меньшую величину, и у галактик было меньше времени для слияния. Мы видели галактики, которые выглядят такими, какими они были, когда Вселенной было всего 285 миллионов лет: всего 2% от её нынешнего возраста. И галактики, которые мы видим сквозь космическое время, бывают самых разных размеров и форм, включая аналоги галактик, столь же впечатляющих, как Млечный Путь, даже на огромных космических расстояниях.
Хотя это понятно, когда вы смотрите и видите, как всё удаляется от нас, причём более дальние объекты удаляются от нас быстрее, думая о Большом взрыве так же, как вы думаете о взрыве, мы знаем, что это не так. Хотя вы можете просто проследить пути удаляющихся объектов во Вселенной до одной точки и даже измерить, насколько эта точка находится от вашего конкретного местоположения сегодня, это не скажет вам, как далеко вы находитесь от точки, в которой произошёл Большой взрыв. Вместо этого это говорит вам, насколько далеко вы в совокупности были притянуты и оттолкнуты от того места, где бы вы были, если бы на вас не действовало суммарное гравитационное поле с момента начала горячего Большого взрыва.
В действительности у Вселенной нет центра, или, с другой точки зрения, каждая точка пространства и каждый наблюдатель во Вселенной могут в равной степени претендовать на то, чтобы находиться в самом центре. Как однажды блестяще сформулировала астрофизик Кэти Мак :
«Вселенная расширяется так же, как расширяется ваш разум. Она не расширяется во что-то, вы просто становитесь менее плотными».