Вселенная не стационарна
Как только вы соглашаетесь с идеей о том, что наша Вселенная, по сути, одно-
родна и расширяется с течением времени, модель Большого взрыва начинает
казаться вполне достоверным отражением реальности . Всего лишь отведите
стрелки часов назад, и вы вернетесь к горячему плотному началу . Принципи-
альную основу концепции расширяющейся Вселенной сформулировал в конце
1920-х годов Джордж Леметр, бельгийский католический священник, который,
до того как получить степень доктора наук в Массачусетском технологическом
институте, обучался в Кембридже и Гарварде .9 (Кстати, несмотря на очевидный
соблазн, Леметр, окрестивший начало Вселенной «первоатомом», не стал
делать никаких теологических выводов из сформулированной им космологи-
ческой модели .)
Однако модель Большого взрыва демонстрирует любопытную асимметрию,
которая, впрочем, теперь уже не должна нас удивлять: кардинальное отличие
времени от пространства . Идею о том, что материя на крупных масштабах
однообразна, можно развить до «космологического принципа»: во Вселенной
нет никаких «особенных» мест . Однако очевидно, что особенное время во
Вселенной все же имеется: это момент Большого взрыва .
Некоторые специалисты по космологии, работавшие в середине прошлого
столетия, считали такое явное неравенство — пространство однообразно,
а время неоднородно — серьезным недостатком модели Большого взрыва
и поставили себе целью разработать альтернативную модель . В 1948 году три
ведущих астрофизика — Германн Бонди, Томас Голд и Фрейд Хойл — пред-
ложили модель стационарной Вселенной .10 Их теория базировалась на «иде-
альном космологическом принципе» — утверждении, что во Вселенной нет
ни особенных мест, ни особенного времени . В частности, они утверждали, что
Вселенная в прошлом не была ни горячее, ни плотнее, чем сегодня .
Пионеры теории стационарной Вселенной (в отличие от некоторых более
поздних последователей) не были дремучими чудаками . Они знали, что Хаббл
установил факт расширения Вселенной, и учитывали полученные им данные .
Так каким образом Вселенная может расширяться, не разрежаясь и не остывая?
Согласно теории стационарной Вселенной, в пространстве между галактиками 
Глава 3 . Начало и конец времени
77
происходит непрерывное рождение новой материи ровно в таком количестве,
чтобы компенсировать расширение Вселенной (на самом деле много и не надо:
примерно один атом водорода на кубический метр каждый миллиард лет, так
что не стоит опасаться, что ваша гостиная может внезапно переполниться
материей) . Рождение вещества происходит не само по себе; Хойл изобрел
новый тип поля — C-поле, которое, как он надеялся, объяснит фокус с новым
веществом, однако его идея так никогда и не завоевала популярности среди
физиков .
С нашей пресыщенной современной точки зрения модель стационарной
Вселенной производит впечатление некой сверхструктуры, базирующейся на
весьма хрупких философских допущениях . Но точно так же выглядели многие
великие теории до того, как столкнуться с суровой действительностью реаль-
ных данных . Формулируя общую теорию относительности, Эйнштейн опре-
деленно опирался на собственные философские предпочтения . Однако в от-
личие от общей теории относительности модель стационарной Вселенной не
выдержала проверки фактическими данными .11 Последнее, чего можно ожидать
от модели, в которой температура Вселенной остается постоянной, — это
объяснения реликтового излучения, явно указывающее на горячее начало . По-
сле того как Пензиас и Уилсон обнаружили фоновое микроволновое излучение,
поддержка теории стационарной Вселенной быстро сошла на нет, хотя не-
большая гвардия убежденных последователей по сей день продолжает изобре-
тать самые замысловатые способы избежать наиболее логичных и очевидных
способов интерпретации данных .
Как бы то ни было, размышления о модели стационарной Вселенной за-
ставляют по-настоящему прочувствовать ошеломляющую природу времени
в модели Большого взрыва . Несомненно, в космологии стационарной Вселен-
ной точно так же существует стрела времени: энтропия безгранично увеличи-
вается в одном и том же направлении, сейчас и во веки веков . Однако если
взяться за дело серьезно, то станет очевидно, что проблема объяснения низкой
начальной энтропии в стационарной Вселенной бесконечно тяжела. Какими
бы ни были начальные данные, они должны быть наложены бесконечно давно
в прошлом, и энтропия любой системы конечного размера на сегодняшний
день была бы бесконечно велика . Задайся космологи целью достоверно объ-
яснить низкую энтропию ранней Вселенной, модель стационарной Вселенной
моментально потерпела бы крах .
В картине, рисуемой моделью Большого взрыва, дела обстоят более опти-
мистично . Мы все еще не знаем, почему у ранней Вселенной была низкая эн-
тропия, однако, по крайней мере, нам известно, о каком именно периоде идет
78
Часть I . Время, опыт и Вселенная
речь . В интересующем нас состоянии Вселенная находилась 14 миллиардов лет
тому назад, и ее энтропия была мала, но не равна нулю . В отличие от модели
стационарной Вселенной в контексте Большого взрыва мы можем точно указать,
где (хотя в действительности когда) находится проблема . К сожалению, до тех
пор пока у нас на руках не будет универсальной космологической теории, объ-
ясняющей все на свете, мы не сможем утверждать, действительно ли это огром-
ный шаг вперед по сравнению с моделью стабильного состояния .
Она ускоряется
Мы очень много знаем об эволюции Вселенной за последние 14 миллиардов
лет . А что же будет дальше?
Прямо сейчас Вселенная расширяется, становясь все более холодной и раз-
реженной . Многие годы проблемы космологии концентрировались вокруг
одного главного вопроса: «Будет ли расширение продолжаться вечно или од-
нажды Вселенная достигнет максимального размера и примется сжиматься
навстречу к Большому коллапсу и концу времен?» Споры вокруг относитель-
ных достоинств каждой из альтернатив стали любимой игрой космологов
практически с того самого момента, как мир узнал об общей теории относи-
тельности . Сам Эйнштейн склонялся к мнению, что Вселенная конечна как
с точки зрения пространства, так и с точки зрения времени, и поддерживал
идею о неизбежном коллапсе . Леметр же, наоборот, отдавал предпочтение идее
бесконечной Вселенной, в которой процессы охлаждения и расширения будут
вечными: лед, а не пламя .
Провести измерения, которые позволили бы эмпирическим способом вы-
брать из двух теорий единственно верную, оказалось неожиданно сложно .
Общая теория относительности позволяет с определенностью заявить: в то
время как Вселенная расширяется, гравитационная сила притягивает галакти-
ки друг к другу, замедляя расширение . Вопрос, по сути, заключался в том, до-
статочно ли во Вселенной материи для того, чтобы сжатие на самом деле слу-
чилось, или же Вселенная будет вечно потихоньку расширяться? Долгие годы
этот вопрос оставался без ответа: наблюдения показывали, что материи во
Вселенной почти достаточно для того, чтобы обратить процесс и заменить
расширение сжатием, — почти, но все же не совсем .
Прорыв случился в 1998 году, причем благодаря совершенно иному методу .
Казалось бы, вместо того чтобы измерять общую массу вещества во Вселенной
и сравнивать результат с теоретическими прогнозами — хватит ли ее, чтобы
обратить расширение Вселенной, можно измерить, насколько быстро расши-
Глава 3 . Начало и конец времени
79
рение замедляется . Однако, как всегда, гораздо проще сказать, чем сделать . По
сути, нужно было повторить исследования Хаббла — измерить расстояния
и видимые скорости галактик, а затем установить взаимосвязь между этими
величинами, но с гораздо большей точностью и для огромнейших дистанций .
В конечном итоге была выбрана техника, основанная на поиске сверхновых
типа Ia — взрывающихся звезд, примечательных не только чрезвычайной яр-
костью (и потому заметных на космологических расстояниях), но и тем, что
яркость этих звезд всегда одинакова (за счет чего видимую яркость можно
использовать для оценки расстояния до сверхновой) .12
Этот нелегкий труд взяли на себя две команды: одна под управлением Сола
Перлмуттера из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли, а вто-
рая во главе с Брайаном Шмидтом из австралийской обсерватории Маунт-
Стромло . Группа Перлмуттера, которую составляли ученые, занимающиеся
физикой элементарных частиц и увлекшиеся исследованием вопросов космо-
логии, начала работу раньше и первой успешно применила технику поиска
сверхновых, несмотря на изрядный скептицизм публики . В группе Шмидта
были эксперты по астрономии сверхновых; она стартовала чуть позже, но
сумела наверстать упущенное . Команды трудились в духе дружеского (а иногда
не очень) соперничества, внеся каждая со своей стороны неоценимый вклад
в исследование, и слава авторов одного из величайших достижений в области
исследования космоса по праву принадлежит обеим .
Между прочим, с Брайаном Шмидтом мы вместе учились в аспирантуре
Гарварда в начале 1990-х годов . Я был теоретиком-идеалистом, а он — прагма-
тичным наблюдателем . В те дни, когда технология крупномасштабных иссле-
дований космоса находилась в зачаточном состоянии, принято было считать,
что измерение космологических параметров — мартышкин труд . Считалось,
что эта бесплодная затея заранее обречена на провал из-за огромного количе-
ства неопределенностей, которые не позволят определить размер и форму
Вселенной с точностью, хотя бы немного приближенной к желаемой . Мы
с Брайаном поспорили, удастся ли ученым точно оценить общую плотность
вещества во Вселенной в ближайшие двадцать лет . Я сказал, что это реально;
Брайан утверждал, что ничего не получится . В то время мы были аспирантами
без цента в кармане, однако все же скинулись и купили маленькую бутылочку
марочного портвейна, договорившись спрятать его в секретном месте и хранить
там двадцать лет, пока не станет ясно, кто победил . К счастью для нас обоих,
мы узнали правильный ответ задолго до назначенного срока; я выиграл пари,
и в немалой степени благодаря труду самого Брайана . Мы распили бутылку
портвейна на крыше гарвардского Куинси Хауса в 2005 году .
80
Часть I . Время, опыт и Вселенная
Результат оказался шокирующим: Вселенная вообще не замедляется . На самом
деле она ускоряется . Если бы вы измерили видимую скорость разбегания галак-
тик, а затем (гипотетически) вернулись через миллиард лет, чтобы повторить
измерения, вы бы обнаружили, что скорость увеличилась .13 Как это может быть
согласовано с предсказаниями общей теории относительности о том, что Все-
ленная должна замедляться? Как и в большинстве других подобных предсказаний,
здесь играют большую роль неявные допущения . В данном случае мы предпо-
лагали, что основной источник энергии во Вселенной — вещество .
Рис . 3 .3 . Ускоряющаяся Вселенная
Для космолога вещество — это «любая группа частиц, каждая из которых
движется со скоростью, намного меньшей скорости света» (если скорость
частиц близка к скорости света, то космологи называют их излучением, неза-
висимо от того, идет речь об электромагнитном излучении в привычном по-
нимании или нет) . Эйнштейн уже давно открыл нам глаза на то, что частицы
обладают энергией, даже когда совсем не движутся: формула E = mc2 означает,
что энергия абсолютно неподвижной, но обладающей массой частицы равна
ее массе, умноженной на скорость света в квадрате . Для нашего текущего об-
суждения важнее всего то, что по мере расширения Вселенной вещество раз-
реживается .14 Общая теория относительности в действительности утверждает,
что процесс расширения должен замедляться лишь в том случае, если энергия
рассредоточивается . Если это не так — если плотность энергии, то есть вели-
чина энергии в каждом кубическом сантиметре или кубическом световом году
|
Глава 3 . Начало и конец времени
81
пространства остается примерно постоянной, тогда эта энергия придает по-
стоянный импульс расширению Вселенной, и, следовательно, Вселенная уско-
ряется .
В действительности, конечно же, возможно, что общая теория относитель-
ности неправильно описывает гравитацию на космологических масштабах,
и физики очень серьезно рассматривают такую возможность . Однако куда
более вероятно, что общая теория относительности верна, а наблюдения сви-
детельствуют о том, что большая часть энергии во Вселенной существует во-
обще не в форме «вещества», а в форме какого-то поразительно упрямого
неизвестно чего, которое не разреживается, даже когда пространство расши-
ряется . Мы дали этому загадочному «неизвестно чему» название «темная
энергия», и природа темной энергии — одна из любимейших тем исследования
современных космологов, как теоретиков, так и экспериментаторов .
О темной энергии нам известно не очень много, однако мы знаем две глав-
ные вещи: она почти постоянна в пространстве (один и тот же объем энергии
в любом произвольном месте) и также имеет постоянную по времени плотность
(одинаковый объем энергии на кубический сантиметр в любой момент време-
ни) . Таким образом, простейшая из возможных моделей темной энергии
включает абсолютно постоянную плотность энергии в любой точке простран-
ства и времени . В действительности эта идея не нова, ее высказывал еще Эйн-
штейн . Он называл эту величину космологической постоянной, а сегодня мы
зачастую используем термин «энергия вакуума» . (Некоторые люди могут
заявлять, что энергия вакуума и космологическая постоянная — это разные
вещи . Не верьте им . Единственное различие заключается в том, в какую часть
уравнения ее поставить, а это не играет никакой роли .)
Итак, о чем мы говорим? Мы предполагаем, что в каждом кубическом сан-
тиметре пространства — в безлюдном неприветливом космосе, или в центре
Солнца, или прямо перед вашим носом — содержится определенная энергия
в дополнение к энергии частиц, фотонов и других вещей, реально присутству-
ющих в этом маленьком кубике . Она называется энергией вакуума, потому что
присутствует даже в вакууме, в совершенно пустом пространстве . Это мини-
мальный объем энергии, присущий полотну самого пространства—времени .15
Энергию вакуума невозможно почувствовать, ее невозможно увидеть, с ней
нельзя ничего сделать, и все же она есть . И мы знаем о ее существовании, по-
тому что она оказывает решающее воздействие на Вселенную, заставляя дале-
кие галактики убегать от нас все быстрее и быстрее .
В отличие от силы притяжения, создаваемой обычным веществом, энергия
вакуума не притягивает, а отталкивает вещи друг от друга . Эйнштейн, впервые
82
Часть I . Время, опыт и Вселенная
предложивший идею космологической постоянной в 1917 году, в действитель-
ности стремился объяснить существование статической Вселенной, в которой
ни расширения, ни сжатия не происходит . И это не было необоснованным
философским позерством — ничего другого для понимания устройства Все-
ленной астрономия тех дней предложить не могла, а Хаббл открыл расширение
Вселенной только в 1929 году . Таким образом, Эйнштейн представлял себе
Вселенную как место, где притяжение галактик и отталкивание, связанное
с космологической постоянной, находятся в хрупком равновесии . Услышав об
открытии Хаббла, он пожалел, что вообще придумал эту космологическую
постоянную: не поддайся он искушению, Эйнштейн мог бы предсказать рас-
ширение Вселенной задолго до фактического обнаружения этого явления .