Вся современная космология стоит на фундаменте, который трещит по швам, и учёные об этом прекрасно знают — но предпочитают делать вид, что всё в порядке. Каждый раз, когда вам показывают красивые симуляции расширяющейся Вселенной, рассказывают о Большом взрыве и тёмной энергии, вас кормят моделью, основанной на допущении, которое всё труднее защищать перед лицом накапливающихся данных. Это допущение называется космологический принцип, и оно утверждает нечто настолько грандиозное и самонадеянное, что просто оторопь берёт: мол, Вселенная везде одинакова. Куда ни посмотри — та же плотность материи, те же структуры, те же законы распределения галактик. Удобно, не правда ли? Слишком удобно.
Десятилетиями этот принцип служил своего рода индульгенцией для теоретиков. Зачем усложнять уравнения, если можно просто постулировать, что космос — это гигантский однородный суп? Берём уравнения Эйнштейна, добавляем изотропию и гомогенность, получаем метрику Фридмана-Леметра-Робертсона-Уокера — и вуаля, можно строить карьеру. Но Вселенная, как выясняется, плевать хотела на карьерные амбиции космологов. Она грубо и недвусмысленно демонстрирует структуры, которых быть не должно. Аномалии, которые не вписываются ни в какие рамки. Асимметрии, от которых у защитников стандартной модели начинается нервный тик.
И вот что любопытно: чем точнее становятся наши инструменты, тем очевиднее несостоятельность базовых допущений. Это не какие-то маргинальные измерения на краю погрешности — это массивные, неопровержимые данные, которые кричат нам в лицо.
Священная корова космологии
Чтобы понять масштаб проблемы, нужно разобраться, откуда вообще взялся этот принцип и почему он так дорог сердцам теоретиков. История начинается в 1917 году, когда Эйнштейн пытался применить общую теорию относительности к описанию Вселенной целиком. Математика оказалась чудовищно сложной. Решать уравнения поля для произвольного распределения материи — занятие не для слабонервных. И тут великий физик делает ход конём: а давайте просто предположим, что материя распределена равномерно? Так проще считать. Это был компромисс между математической элегантностью и физической реальностью.
Позже Милн и другие космологи сформулировали принцип более строго. Однородность означает, что в любой точке пространства средняя плотность материи одинакова. Изотропия — что Вселенная выглядит одинаково во всех направлениях. Вместе эти два требования создают картину космоса как идеально перемешанного коктейля. Встряхнули — и готово. Никаких комков, никаких пузырей, никаких выделенных направлений.
Разумеется, никто не утверждал, что это работает на малых масштабах. Очевидно, что Земля отличается от Солнца, Солнечная система — от межзвёздного пространства, наша галактика — от войдов между скоплениями. Принцип претендовал на справедливость только на «достаточно больших» масштабах. И вот тут начинается самое интересное. Какой масштаб считать достаточным? Сто мегапарсек? Триста? Космологи долго спорили и в конце концов сошлись на том, что где-то после 300 мегапарсек всё должно усредняться. Должно — ключевое слово.
Великие стены и зияющие пустоты
А теперь давайте посмотрим, что нам показывают телескопы — не теоретические выкладки, а живые наблюдательные данные. И картина вырисовывается, мягко говоря, неудобная для защитников ортодоксии.
В 2003 году была открыта Великая стена Слоана — гигантская структура из галактик, протянувшаяся на 1,37 миллиарда световых лет. Чтобы вы понимали масштаб: это примерно одна семнадцатая диаметра наблюдаемой Вселенной. Структура такого размера просто не должна существовать, если космологический принцип верен. Времени с момента Большого взрыва физически не хватило бы, чтобы гравитация собрала столько материи в единую связанную систему.
Но это цветочки. В 2013 году астрономы обнаружили Огромную группу квазаров (Huge-LQG) — скопление 73 квазаров, растянувшееся на 4 миллиарда световых лет. Четыре миллиарда! Это уже не просто большая структура — это плевок в лицо космологическому принципу. При таких размерах говорить о какой-либо однородности становится просто неприлично.
А потом пришёл 2015 год с Великой стеной Геркулеса-Северной Короны — монструозным образованием протяжённостью около 10 миллиардов световых лет, что составляет более шести процентов диаметра наблюдаемой Вселенной. На таких масштабах усреднение попросту не работает. Вы не можете утверждать, что система однородна, если в ней торчат структуры размером в десятую часть самой системы.
И это мы ещё не говорили о войдах — гигантских пустотах, где практически нет галактик. Войд Волопаса, например, имеет диаметр около 330 миллионов световых лет и содержит подозрительно мало материи. Вселенная оказывается не супом, а скорее губкой — с дырками, нитями и комками. Причём дырки и комки упорно не желают усредняться.
Ось зла в небесах
Если крупномасштабные структуры — это удар под дых, то аномалии в реликтовом излучении — это уже хук справа с последующим добиванием. Реликтовое излучение — это древнейший свет во Вселенной, отголосок эпохи, когда космос был горячей плазмой. Согласно космологическому принципу, оно должно быть практически идеально изотропным: куда ни посмотри — та же температура с крошечными флуктуациями порядка одной стотысячной градуса.
И вот спутники WMAP, а затем Planck измерили это излучение с беспрецедентной точностью. Что обнаружилось? Аномалия, которую космологи с чёрным юмором окрестили «осью зла». Крупномасштабные флуктуации температуры оказались выстроены вдоль определённого направления в пространстве. Более того, северная и южная полусферы небесной сферы имеют статистически значимые различия в распределении флуктуаций.
Это категорически противоречит изотропии. Вселенная буквально говорит нам: «Эй, ребята, вот здесь особое направление, видите?» Стандартная космология такого не предусматривает. Защитники принципа, конечно, пытаются объяснить это систематическими ошибками, влиянием нашей Галактики, статистическими флуктуациями. Но аномалия упорно не исчезает, какой обработке данные ни подвергай.
Более того, есть ещё феномен «тёмного потока» — когда целые скопления галактик движутся согласованно в одном направлении со скоростями около тысячи километров в секунду. Такое синхронное движение на гигантских масштабах намекает на существование какой-то структуры или асимметрии за пределами наблюдаемой Вселенной. Что, опять же, ни в какие ворота не лезет.
Что если всё неправда
Допустим на секунду, что космологический принцип действительно ошибочен. Какие последствия это влечёт? Спойлер: катастрофические для всей современной космологии.
Во-первых, метрика Фридмана-Леметра-Робертсона-Уокера — основа всех космологических расчётов — становится невалидной. Это не просто техническая заминка. Это как выбить опорную колонну из-под здания. Все оценки возраста Вселенной, все расчёты расстояний до далёких объектов, все модели расширения — всё требует пересмотра.
Во-вторых, под большим вопросом оказывается тёмная энергия. Её существование выведено из наблюдений за сверхновыми типа Ia, которые используются как «стандартные свечи» для измерения расстояний. Но вся калибровка предполагает однородную Вселенную. Если Вселенная неоднородна, мы можем жить в локальном «пузыре» с пониженной плотностью, и кажущееся ускорение расширения — просто артефакт нашего особого положения.
В-третьих, сам Большой взрыв как концепция требует переосмысления. Стандартная модель предполагает, что расширение началось из сингулярности и шло одинаково во всех направлениях. Но если пространство изначально анизотропно, история ранней Вселенной могла быть совершенно иной.
Некоторые теоретики уже работают над альтернативами. Существуют модели неоднородных космологий, где наше положение во Вселенной особое — мы находимся вблизи центра гигантского войда. Есть теории с переменной плотностью тёмной материи. Есть попытки строить релятивистскую космологию без предположения однородности вообще. Но пока это маргинальные направления. Мейнстрим упорно цепляется за привычные догмы.
Философия крушения иллюзий
За всей этой научной драмой скрывается глубочайший философский вопрос: насколько мы вообще можем доверять своим космологическим моделям? Наука любит преподносить себя как кумулятивное накопление истины, где каждое поколение учёных стоит на плечах гигантов и видит чуть дальше. Красивая картина. Только вот история науки показывает другое: периодические революции, когда целые парадигмы летят в мусорное ведро.
Коперник отправил туда геоцентризм. Эйнштейн — абсолютное пространство и время Ньютона. Квантовая механика похоронила классический детерминизм. И вот теперь, возможно, мы стоим на пороге очередного переворота, где наивная вера в однородный космос окажется таким же предрассудком, как хрустальные сферы античности.
Есть в этом что-то унизительное и одновременно освобождающее. Унизительное — потому что мы снова обнаруживаем предел своего понимания. Освобождающее — потому что перед нами открывается терра инкогнита, неизведанная территория. Вселенная оказывается сложнее, страннее, интереснее, чем предписывали учебники.
И знаете что особенно примечательно? Нарушение космологического принципа означает, что мы не находимся в «типичном» месте космоса. Либо наше положение особое, либо никаких типичных мест не существует вообще. Оба варианта кардинально меняют философскую картину мира. Мы либо снова становимся центром мироздания (в каком-то смысле), либо понятие центра теряет всякий смысл. Копернианская скромность, которую нам прививали со школы — дескать, Земля ничем не выделена, — оказывается под ударом.
Космос сложнее ваших формул
Мы живём в удивительное время. Телескопы нового поколения — James Webb, Euclid, будущий Roman — собирают данные с беспрецедентной точностью. С каждым годом карты Вселенной становятся детальнее, и неоднородности проступают всё отчётливее. Теоретики могут сколько угодно защищать космологический принцип — реальность сильнее теорий.
Возможно, через двадцать-тридцать лет студенты будут изучать космологический принцип как любопытный исторический курьёз — наряду с теорией флогистона и светоносным эфиром. А может, теоретики найдут способ спасти принцип, переопределив масштабы или введя дополнительные параметры. Наука умеет изворачиваться.
Но одно можно сказать наверняка: Вселенная не обязана соответствовать нашим представлениям об элегантности и простоте. Она такая, какая есть — с гигантскими стенами галактик, пугающими пустотами, загадочными осями и асимметриями. И если выбирать между красивой теорией и упрямыми фактами, настоящий учёный всегда выберет факты. Даже если они разрушают всё, во что он верил.
Космос не изотропен. Космос не однороден. Космос издевается над нашими моделями. И это, пожалуй, самое честное, что можно о нём сказать.