[Перевод] Спросите Итана №49: отвергают ли космические неизвестные теорию Большого взрыва?
Нам неизвестна природа ни тёмной материи, ни тёмной энергии, составляющих 95% нашей Вселенной. Значит ли это, что теория Большого взрыва подлежит сомнению?
Если в вашей теории есть бесконечности — именно в этих местах она и перестаёт описывать реальность. Если космос родился из Большого взрыва, и при этом бесконечен, нам приходится верить, что он мгновенно стал бесконечно большим. А это абсурд.
— Жанна Левин
Это в некотором роде чудо, что несмотря на все наши знания, добытые с помощью научных исследований, мы всё ещё сталкиваемся с вопросами, на которые у нас нет ответов. И каждую неделю вы стараетесь огорошить меня в моей еженедельной колонке своими вопросами и предложениями. На этой неделе читатель jlnance спрашивает:
Учёные уверены, что понимают эволюцию Вселенной прямо от самого начала большого взрыва. И они уверены, что Вселенная состоит из тёмной материи, чей состав неизвестен, и что её динамика управляется тёмной энергией, которая также изучена слабо (это что,- новая сила?)
И как же тогда возможно сделать экстраполяцию до Большого взрыва, если о материи и силе во Вселенной известно так мало?
Это важный вопрос, которы стоит себе задавать каждый раз после получения новых фактов: «Правилен ли теперь наш старый образ мышления?» Давайте выясним.
Следует напомнить, откуда появилась теория Большого взрыва. Исторически произошло несколько событий, заложивших фундамент того понимания, которое мы выработали сейчас. События следующие:
Была разработана общая теория относительности,- новая теория гравитации,- и её предсказания подтвердились. Изначально она должна была объяснить орбитальную прецессию Меркурия вокруг Солнца, но потом она предсказала большой набор феноменов, и все они были подтверждены, в том числе — отклонение света далёких звёзд массой, гравитационное красное смещение, замедление времени из-за гравитации, уменьшение орбиты близко расположенных масс, и многое другое.
Было установлено, что галактики — это объекты вне Млечного пути. Изначально их считали туманностями, регионами формирования звёзд, расположенными всего в десятках тысяч световых лет. Но комбинация очень больших скоростей, говоривших об отсутствии гравитационной связи с Млечным путём, и различение внутри них отдельных звёзд позволили нам прийти к выводу об их удалённости в миллионы световых лет.
Галактики во Вселенной, расположенные достаточно равномерно во всех направлениях и на всех расстояниях, удаляются от нас. Скомбинировав красное смещение (скорость удаления) и расстояние до них (полученное наблюдением за отдельными звёздами), мы пришли к закону Хаббла, согласно которому, чем дальше от нас галактика, тем быстрее она от нас отдаляется.
Совместив эти данные с ОТО, мы получили, что вместо Вселенной, где все галактики разбегаются от нас, как от эпицентра взрыва, Вселенную, которая расширяется, и в которой постоянное появляется новое пространство между галактиками, увеличивая расстояние между ними. Для интересующихся техническими деталями скажу, что все изотропные гомогенные пространства-времена (решения ОТО, одинаковые во всех направлениях и расстояниях), должны содержать либо сжимающееся, либо расширяющееся пространство.
Один из возможных выводов из этого (хотя и не единственный) — в прошлом Вселенная была горячее и плотнее, и она будет охлаждаться и разрежаться со временем. Это и есть идея Большого взрыва. Это значит, что Вселенная расширяется, и красное смещение тем больше, чем дальше от нас объект, поскольку раньше она была горячее и плотнее.
Длины волн были короче, а значит, и энергии было больше. Материя и радиация находились ближе друг к другу, и столкновения были не только сильнее, но и чаще. Если это так, из этого следуют очень серьёзные выводы.
1) В пространственном отношении Вселенная была равномерной. Поскольку гравитация становится сильнее, если собрать вместе больше массы, то сегодня Вселенная более комковатая, чем была раньше. Значит, когда-то не было галактических суперкластеров, галактик, и даже звёзд. Значит, раньше не только разница в плотности разных районов была не такой сильной, но и тяжёлых элементов не существовало, потому что они синтезируются только внутри звезд, которых когда-то давно еще не было.
2) Когда-то она была достаточно горячей для того, чтобы в ней не могли формироваться атомы. Достаточно сильные и частые столкновения между фотонами и атомами выбивают электроны с орбит. Экстраполируя в прошлое, можно заключить, что сначала невозможно было сформировать стабильный атом, чтобы он сразу не ионизировался каким-нибудь фотоном.
3) Когда-то она была такой горячей, что даже атомное ядро не могло сформироваться. И, хотя ядерные силы примерно на шесть порядков больше атомных, Вселенная изначально была настолько горячей и плотной, и, значит, было время, когда она представляла собой море протонов, нейтронов и электронов. Затем, охлаждаясь, она прошла через фазу, когда протоны и нейтроны могли соединяться. Это должно было привести к появлению определённого количества лёгких элементов и изотопов — дейтерия, гелия-3, гелия-4 и лития-7. Их количество и пропорции определяются пропорцией барионов (протонов и нейтронов) к фотонам, имеющимся во Вселенной.
Если у вас есть обычная материя (протоны, нейтроны, электроны) и излучение, и теория Большого взрыва верна, то мы сможем увидеть доказательства всех трёх выводов. Конкретно, будет остаточное свечение от излучения с ранних стадий Вселенной — почти идеально изотропное и гомогенное, и всего лишь на несколько градусов теплее абсолютного нуля.
Также будут присутствовать облака древнего газа, где звёзды не сформировались со времён Большого взрыва. И мы должны суметь определить количество элементов и изотопов с ранних стадий развития.
И, наконец, мы должны увидеть флюктуации в остаточном свечении, хотя и незначительные.
Кроме того, мы должны увидеть эволюцию в структуре и химическом составе Вселенной, где более старые и близкие регионы состоят из более крупных скоплений и имеют большую плотность тяжёлых элементов.
Мы не приняли бы теорию Большого взрыва если бы мы не наблюдали всех этих феноменов –, но мы их наблюдаем. Никакая другая теория не может предсказать эти вещи или поспорить с теорией Большого взрыва.
Вернёмся к основному вопросу: Большой взрыв не предсказал ни тёмную энергию, ни тёмную материю. Есть ли в этом проблема?
Всё, что я описал выше, было бы правдой вне зависимости от того, что ещё можно найти во Вселенной. Единственное, что меняет наличие тёмной энергии и тёмной материи — это следующее:
Тёмная материя влияет на некоторые детали формирования структуры. В частности, поскольку она так же, как и материя, комкуется, но при этом не взаимодействует через столкновения ни с собой, ни с обычной материей, ни с излучением — её присутствие изменяет размер и количество малых галактик, больших галактик, и то, как они кластеризуются. Также это влияет на спектр флюктуаций микроволнового космического излучения.
Но даже когда тёмной материи в пять раз больше, чем обычной, вся остальная история не меняется.
Тёмная энергия влияет на скорость космического расширения ближе к текущему моменту жизни Вселенной. О её существовании начали догадываться ещё в 1933 году, но неудивительно, что эту идею не рассматривали всерьёз до 1990-х годов: требуются очень точные измерения расстояний порядка десяти миллиардов световых лет, чтобы только начать видеть её влияние на развитие Вселенной.
Поэтому, хотя тёмная материя и тёмная энергия составляют большую долю энергетического наполнения Вселенной,- тёмная материя занимает 26%, тёмная энергия — 69%,- они не представляют трудностей для теории Большого взрыва.
В принципе, во Вселенной могло быть что угодно или всё сразу из следующего списка (отсортированного по порядку от наивысшего положительного давления до наименьшего отрицательного):
- излучение в виде безмассовых частиц
- нейтрино
- обычная материя (протоны, нейтроны, электроны)
- тёмная материя
- топологические дефекты точечных частиц (магнитные монополи)
- космические струны
- значительное искривление пространства
- границы доменов
- космические текстуры
- космологическая константа
- тёмная энергия, нарушающая условие слабой энергии, ведущая к «Большому разрыву»
У нас есть излучение, нейтрино и материя, и об этом было известно почти сто лет. А всё остальное? Вроде бы есть тёмная материя и космологическая константа в виде особой формы тёмной энергии. Больше, наверно, ничего.
Можно, конечно, посмотреть на это с точки зрения «Большой взрыв такого не предсказывал», но Большой взрыв — это не окончательный ответ в истории Вселенной, а лишь часть истории.
Всегда будет то, чего мы еще не знаем, так что космическая инфляция, тёмная материя и тёмная энергия не представляют собой проблемы для Большого взрыва — они лишь показывают нам ограничения этой теории, и рассказывают нам полную историю Вселенной.
