На первый взгляд, картина Вселенной кажется устойчивой. Расширение пространства, реликтовое излучение, возраст космоса — все это выглядит как законченная история. Но за внешней уверенностью скрываются тревожные несоответствия. Их немного. Всего четыре. И каждая из них намекает: наше представление о рождении Вселенной скоро изменится.
Чтобы понять масштаб этих загадок, нужно вспомнить, какой долгий путь проделала космология за последнее столетие. Еще в начале XX века представления о Вселенной были весьма ограниченными. Ученые не знали, как она началась, что предшествовало этому началу. Перелом совершил Альберт Эйнштейн со своей общей теорией относительности. Он показал, что пространство — не жесткая сцена, а динамичная, гибкая материя. Оно способно искривляться, растягиваться и сжиматься.
В 1929 году астроном Эдвин Хаббл сделал ключевое наблюдение. Он обнаружил, что галактики разбегаются. Вселенная не статична — она расширяется. Это открытие стало краеугольным камнем. Логический вывод из него привел к идее Большого взрыва. Если сейчас все разбегается, то в прошлом Вселенная была меньше, горячее и плотнее. Отмотав время назад, мы приходим к моменту невероятной плотности и температуры.
Эта теория получила блестящие подтверждения. Первое — открытие реликтового излучения. Согласно расчетам, через 380 000 лет после начала расширения горячая плазма остыла достаточно для образования первых атомов. Вселенная внезапно стала прозрачной, и гигантская вспышка света ринулась в пространство. Сегодня, спустя 13,8 миллиарда лет, этот свет остыл до 2,7 градусов выше абсолютного нуля, но его можно «услышать» радиотелескопами как равномерное микроволновое свечение по всему небу. Его существование — мощнейший аргумент в пользу теории.
Второе подтверждение касается химии. В первые минуты после Большого взрыва Вселенная напоминала гигантский термоядерный котел с температурой в миллиард градусов. В этом котле должны были «свариться» первые легкие элементы: дейтерий, гелий, литий. Теория предсказывает их точное количество — и наблюдения за самыми древними объектами во Вселенной это предсказание подтверждают.
Более ранние эпохи мы не можем наблюдать напрямую, но можем воссоздать. Для этого служат ускорители частиц, такие как Большой адронный коллайдер. Сталкивая протоны на околосветовых скоростях, ученые на доли секунды воспроизводят условия, царившие во Вселенной в первую триллионную долю секунды ее жизни. Казалось бы, картина ясна и проверена. Но это только одна сторона медали.
Загадка первая: Пропавшая симметрия, или Почему мы существуем
Самое фундаментальное, что предсказывает физика элементарных частиц — это баланс. На каждую частицу материи должна существовать ее зеркальная копия, античастица, с противоположным зарядом. При столкновении они аннигилируют, превращаясь в чистую энергию. И наоборот, из энергии рождаются пары «частица — античастица». Все эксперименты на ускорителях подтверждают это железное правило симметрии.
Вот в чем парадокс. Согласно теории Большого взрыва, в раскаленной молодой Вселенной должно было родиться абсолютно равное количество материи и антиматерии из энергии начального взрыва. Затем, по мере остывания, они должны были встретиться и полностью уничтожить друг друга. На выходе осталась бы лишь безжизненная пустота, заполненная излучением. Но этого не произошло.
Мы по-прежнему существуем, существуют планеты, звезды и галактики. Это значит, что в какой-то момент нарушилось священное правило. На каждые десять миллиардов пар «частица-античастица» уцелела одна-единственная частица материи. Эта ничтожная асимметрия — причина всего видимого мира. Но что ее вызвало? Какой механизм в первые мгновения после Большого взрыва «предпочел» материю антиматерии? Ни одна из известных нам фундаментальных сил на такое не способна. Это — первая великая загадка.
Загадка вторая: Невидимый скелет, или Из чего сделана Вселенная
В 1930-х годах астроном Фриц Цвикки, наблюдая за скоплением галактик в Волосах Вероники, заметил нечто странное. Галактики двигались так быстро, что видимой массы в скоплении не хватало, чтобы удержать их гравитацией. Он предположил существование невидимой, «темной» материи. Его сочли чудаком. Но к 1970-м годам накопилось неопровержимых данных. Оказалось, что звезды на окраинах спиральных галактик вращаются с почти одинаковой скоростью, независимо от расстояния до центра. По законам Кеплера, это означало, что галактика погружена в гигантское невидимое облако материи, чья масса в десятки раз превышает массу всех звезд.
Сегодня темная материя — краеугольный камень космологии. Без нее невозможно объяснить, как галактики формировались и как они устроены. Компьютерные модели эволюции Вселенной, включающие темную материю, с поразительной точностью воспроизводят ту гигантскую космическую паутину из скоплений и нитей, которую мы наблюдаем.
Но что это такое? Десять-пятнадцать лет назад главными кандидатами считались вимпы — гипотетические массивные частицы, слабо взаимодействующие с обычным веществом. По всему миру, в глубоких подземных лабораториях, таких как Гран-Сассо в Италии, построили сверхчувствительные детекторы для их поимки. Но — тишина. Вимпы так и не поймали. Сейчас у физиков есть десятки других идей: ультралегкие аксионы, частицы из гипотетического «скрытого сектора» реальности, даже первичные черные дыры. Но точного ответа нет. Мы видим гравитационные следы этой материи повсюду во Вселенной, но не знаем, из чего она сделана. Это вторая загадка.
Загадка третья: Тайная пружина, или Почему Вселенная ускоряется
В конце 1990-х годов две независимые группы ученых, изучая свет далеких сверхновых звезд, сделали ошеломляющее открытие. Они ожидали подтвердить, что расширение Вселенной со временем замедляется под действием гравитации. Вместо этого данные показали обратное: около пяти-шести миллиардов лет назад расширение… ускорилось. Какая-то неведомая сила расталкивает галактики с нарастающей скоростью.
В рамках теории Эйнштейна объяснить это можно лишь одним способом — ввести в уравнения некую энергию, присущую самому вакууму пространства. Ее назвали темной энергией. Ее ключевое свойство — постоянная плотность. В отличие от материи и излучения, которые «размазываются» и теряют плотность при расширении пространства, темная энергия остается неизменной. Чем больше становится Вселенная, тем больше суммарной темной энергии она содержит, и тем сильнее ее отталкивающее действие.
Сегодня темная энергия — доминирующий компонент нашей Вселенной, на нее приходится около 68 процентов всей ее массы-энергии. Она определяет судьбу мироздания — вечное и ускоряющееся расширение. Но что она такое физически? Является ли это космологической постоянной Эйнштейна, энергией квантовых флуктуаций вакуума, или проявлением какой-то новой физики? Мы не знаем. Это, пожалуй, самая большая и самая странная загадка современной науки.
Загадка четвертая: Безупречный старт, или Что выровняло Вселенную
Когда космологи прошлого века создавали теорию Большого взрыва, они столкнулись с двумя необъяснимыми фактами о современной Вселенной. Первый — ее невероятная однородность в больших масштабах. Куда ни посмотри, средняя плотность галактик и температура реликтового излучения одинаковы с точностью до стотысячных долей. Но в классической модели у облаков материи в ранней Вселенной не было времени «перемешаться» и выровняться за те 380 000 лет до момента излучения реликтового фона.
Второй факт — «плоскость». Наша Вселенная с высокой точностью описывается геометрией Евклида, той самой, которую проходят в школе. Общая теория относительности допускает и другие варианты — Вселенную с положительной или отрицательной кривизной, замкнутую или гиперболическую. Почему же наша реальность оказалась идеально сбалансирована на этой тонкой грани?
В 1980-х годах физик Алан Гут предложил изящное решение обеих проблем — теорию космической инфляции. Согласно ей, в первые невообразимо малые доли секунды (около 10^-32 секунды) после начала Вселенная пережила фазовый переход, вызвавший чудовищно быстрое, экспоненциальное расширение. За крошечный промежуток времени она увеличилась в объеме как минимум в 10^75 раз. Этот процесс сгладил все неоднородности и растянул пространство до почти идеальной плоской геометрии, как надуваемый шар становится все более гладким и плоским на своем маленьком участке.
Более того, инфляция сделала проверяемые предсказания о характере мельчайших флуктуаций в реликтовом излучении — и данные с космических обсерваторий WMAP и «Планк» их блестяще подтвердили. Казалось бы, загадка решена. Но у инфляции есть одно радикальное и даже пугающее следствие. Квантовые флуктуации в процессе инфляции означают, что она не могла остановиться одновременно везде. В разных областях пространства она заканчивалась в разное время, порождая отдельные «пузыри» вселенных, каждый со своими свойствами. А инфляция в целом продолжалась вечно, порождая бесконечное количество таких пузырей. Так теория инфляции естественным образом приводит нас к идее мультивселенной — бесконечному ансамблю миров, где наш — лишь один из многих.
Но что запустило саму инфляцию? Какое поле или состояние материи ее вызвало? Как проверить теорию мультивселенной? Инфляция решает старые загадки, но порождает новые, еще более фундаментальные. И это — четвертая головоломка.
Post Scriptum
Итак, перед нами четыре столпа современного незнания. Асимметрия материи и антиматерии, природа темной материи, сущность темной энергии и подлинные механизмы космической инфляции. Каждая из этих загадок — не просто досадный пробел, а указатель на нечто фундаментально упущенное в наших уравнениях. Они говорят, что наше знание о первых долях секунды жизни Вселенной — лишь вершина айсберга.
Это время в науке — одновременно тревожное и захватывающее. Оно напоминает звенящую тишину перед бурей, перед великим интеллектуальным прорывом. Будет ли это новая теория квантовой гравитации, радикальное переосмысление инфляции, открытие новых частиц или что-то совершенно невообразимое — пока неизвестно. Но упрямые факты, которые отказываются вписываться в старую картину мира, — это именно тот двигатель, который вел науку к величайшим революциям в прошлом. Возможно, мы стоим на пороге нового, столь же грандиозного переворота в нашем понимании Вселенной. И четыре эти загадки — наш самый верный компас на пути к нему.
-----
Еще больше интересных постов в нашем Telegram.
Заходите на наш сайт, там мы публикуем новости и лонгриды на научные темы. Следите за новостями из мира науки и технологий на странице издания в Google Новости