Маленькая книга о Большом взрыве

В целом мы не можем объяснить, как сформировались существующие законы физики. Успех астрофизики служит убедительным доказательством того, что законы, касающиеся импульса, сохранения энергии и прочих явлений, одинаковы во всей Вселенной; в то же время успех, с которым космологи описали такие процессы, как первичный нуклеосинтез, доказывает, что с момента Большого взрыва естественные законы существенно не менялись.

Фундаментальная теорема, предложенная математиком Эмми Нётер, говорит нам о том, что, если система не претерпевает изменений с течением времени и если она находится в однородном пространстве, ее импульс (то есть масса, умноженная на скорость) также сохраняется. Но это не объясняет, среди прочего, то, как пространство стало однородным. Также возникает вопрос, можно ли применять обычные законы физики (мы сделаем это в главе 11) для моделирования Вселенной на самом раннем этапе ее формирования – то есть в тот момент, когда она еще не была однородной. Более того, когда мы утверждаем, что энергия не может ни возникать ниоткуда, ни исчезать никуда, мы имеем в виду энергию в таких закрытых, окончательных системах, как, например, торт в закрытой коробке. Конечно, торт теоретически может начать превращаться в энергию, и масса его начнет уменьшаться, но этот пример не совсем годится, когда мы говорим о сохранении энергии во Вселенной, особенно с учетом того, что она бесконечна, плохо изучена и в целом не очень понятна.

Можем ли мы избежать тонкой настройки космоса?

7 Темная Вселенная

Как правило, после лекций мало кто задает вопросы о первичном нуклеосинтезе. Впрочем, космологов довольно часто спрашивают: «Вы можете объяснить, что такое темная материя?» Ответ в таком случае должен быть однозначным: «Нет».

Здесь глава могла бы закончиться.

И все же мы попробуем немного углубиться в вопрос. Следуя одному из выдуманных заветов Эйнштейна, физики стараются «упрощать все настолько, насколько возможно, но не более»; их задача – понять природу и как можно проще объяснить наблюдаемые явления. Но природа не так проста, как кажется. Чем дольше мы наблюдаем то или иное явление, тем более комплексным оно оказывается, а это значит, что для его объяснения нам требуются все более изощренные модели и теории. Физики же, в отличие, к примеру, от экономистов, не любят лишний раз усложнять картину происходящего.

После того как в 1965 году получила признание теория Большого взрыва, модель однородной Вселенной Фридмана стала стандартной космологической моделью. Однако после того, как спутник COBE обнаружил пульсации в космическом микроволновом фоне, стандартная модель Вселенной снова была пересмотрена – на этот раз с учетом галактик, а также их скоплений и сверхскоплений, существование которых на тот момент уже было бесспорно.

Прежде чем критиковать новую стандартную модель Вселенной (мы займемся этим в главах 9 и 10), давайте сперва разберемся с явлениями, которые лежат в ее основе, – темной материей и темной энергией. Учитывая, что каждую неделю наше представление о них кардинально меняется, к соответствующей информации следует относиться с осторожностью: читая в New York Times новость о каком-то открытии, не спешите верить ей, пока не услышите мнение реальных экспертов.

* * *

Спутники вращаются вокруг Земли потому, что гравитация искривляет их траектории и превращает в замкнутое кольцо, препятствуя их естественному стремлению лететь по инерции вглубь космоса. А поскольку сила гравитации, которой подчиняется спутник, зависит от массы Земли, от нее также зависит и скорость движения спутника по орбите. Получается, что чем выше скорость спутника, тем больше должна быть масса Земли, чтобы удержать его на орбите. Тот же принцип применим и к планетам – спутникам Солнца, а также к звездам, движущимся по орбите вокруг центра галактики.

На протяжении последних 150 лет вопрос о существовании невидимой материи поднимался несколько раз. В 1930-х годах астроном Фриц Цвикки заметил, что скорости, с которыми галактики движутся внутри скоплений, слишком высоки, чтобы объяснить их суммарной массой, испускающей свет, то есть массой звезд внутри скоплений. Пытаясь объяснить эти скорости, он и пришел к мысли о существовании темной материи. В настоящее время темная материя рассматривается именно как материя, не излучающая свет. Следующие 40 лет к догадкам Цвикки никто не относился серьезно. Ситуация изменилась, когда Вера Рубин заметила, что не только внутри скоплений, но и на границах самих галактик скорости движения звезд слишком велики, чтобы объяснить их воздействием светящейся материи внутри этих галактик. По идее, звезды, расположенные на границе галактики, должны были бы срываться с орбиты и улетать в межгалактическое пространство.