Маленькая книга о Большом взрыве

Плотность свинца равна приблизительно 11 г/ см³, или 0,4 фунт/дюйм³. Эти числа кажутся очень разными и сами по себе говорят нам не так уж много. В то же время плотность свинца – измеренная хоть в английских фунтах, хоть в системе потжеби[21] – приблизительно в 11 раз превышает плотность воды. Это безразмерная величина, позволяющая сравнивать яблоки с яблоками, а блины с блинами.

Соотношение количества фотонов к количеству барионов, составляющее миллиард к одному, как и космологическая постоянная, чье значение превышает количество темной энергии во Вселенной на 120 порядков, – это безразмерные величины. Чтобы обозначить, что электростатическая сила, действующая между двумя протонами, в 10³⁶ раз больше, чем гравитационная сила между теми двумя протонами, нужно использовать безразмерное число.

Но на вопрос, почему эти числа имеют ту величину, которую имеют, ответить можно пока только: потому что так получилось. Не стесняйтесь говорить именно так. С другой стороны, физики полагают, что все безразмерные величины должны быть примерно одинаковы и предпочтительно равны 1. Если одно из чисел на порядок больше или меньше всех остальных, работа с ними превращается в пример тонкой настройки Вселенной. Лучше избегать этого и стараться найти причину, по которой безразмерные величины являются такими, какими являются.

В истории физики почему достаточно часто перерастает в как, а учитывая, что многие космологи считают космологическую постоянную важнейшей загадкой своей дисциплины, к этому нужно относиться серьезно.

Являются ли проблемы тонкой настройки Вселенной реальными или философскими?

9 Галактики существуют – и мы тоже

Перейдем к другим вопросам, требующим нашего безотлагательного внимания. В соответствии с космологическим принципом, описанным в главе 5, Вселенная должна быть однородной, когда ее рассматривают в достаточно крупных масштабах. В данном случае «достаточно крупных» – осознанно и к месту расплывчатая формулировка, но для простоты (а может, даже из философских соображений) большинство космологов XX века в своих вычислениях предполагали, что Вселенная однородна независимо от масштабов (классическим примером могут служить вычисления, связанные с первичным нуклеосинтезом). Тем не менее Вселенная не однородна. В масштабах любого уровня. Возможно, вы уже сталкивались с компьютерными симуляциями крупномасштабной структуры Вселенной вроде той, что видите на рис. 11, – с длинными нитями, напоминающими то ли внутреннюю часть легкого, то ли одну из картин Джексона Поллока.

Рис. 11

Нити, изображенные на картинке, – это сверхскопления галактик, являющиеся крупнейшими структурами во Вселенной. Каждый из них может вмещать в себя сотни тысяч галактик и растягиваться в пространстве-времени на сотни миллионов галактических лет. Млечный Путь на их фоне так мал, что в этом скоплении нитей его было бы просто невозможно заметить.

Ни одно математическое рассуждение не может подтвердить, что галактические скопления расположены во Вселенной случайным образом. Это неизбежно влечет за собой вопрос: как же тогда возникла крупномасштабная структура Вселенной? Если бы космологический принцип был до конца верен, ни сети на картинке, ни нас с вами просто бы не было. Если мы согласимся с тем, что наша Вселенная сегодня неоднородна, нам также придется признать, что однородный Большой взрыв породил Вселенную, которая в самом начале была однородной, но очень быстро перестала быть таковой. Еще важнее, что при таком сценарии стандартная модель должна превратиться в ту, где обычная материя и излучение уступают место темной материи и темной энергии.

* * *

Пожалуй, главной задачей космологии на протяжении последних четырех десятилетий было понять крупномасштабное устройство Вселенной. Ключом к этому пониманию стало CMBR – реликтовое излучение. Несмотря на то что с тех пор, как его открыли, CMBR еще три десятилетия продолжало считаться полностью однородным, космологи понимали, что галактики в известном нам виде должны были начать формироваться в то же время, когда возник наблюдаемый нами космический микроволновый фон, то есть спустя 380 тыс. лет после Большого взрыва. Таким образом, этот фон должен был бы нести в себе слабые отпечатки возникновения галактик.