Математика космоса. Как современная наука расшифровывает Вселенную

Сегодня большинство космологов думают, что вся Вселенная — пространство, время и вещество — возникла около 13,8 миллиарда лет назад[80]. Крупинка пространства-времени возникла из ниоткуда и расширилась с необычайной скоростью. Через одну миллиардную долю секунды первоначальное неистовство улеглось достаточно, чтобы возникли фундаментальные частицы, такие как кварки и глюоны; еще через одну миллионную долю секунды эти частицы соединились, чтобы образовать более знакомые нам протоны и нейтроны. Потребовалось несколько минут, чтобы они сошлись вместе и образовали простые атомные ядра. Атомы — это ядра плюс электроны, и должно было пройти еще 380 000 лет, чтобы к уже существующей смеси добавились электроны и возникли атомы простейших элементов: водорода, гелия и дейтерия. Только после этого вещество начало образовывать сгущения под действием гравитации, и со временем появились звезды, планеты и галактики. Космологи рассчитали этот график с большой точностью и необычайными подробностями.

Этот сценарий и есть знаменитый Большой взрыв — такое название, с некоторым оттенком сарказма, пустил в оборот Фред Хойл. Он был убежденным сторонником самой популярной на тот момент теории — теории стационарной Вселенной, название которой говорит само за себя. Однако, невзирая на название, это вовсе не была Вселенная, в которой ничего не происходит. Дело просто в том, что ничто из происходящего в ней не вызывало каких-то фундаментальных перемен. Хойл считал, что Вселенная постепенно расширяется, приобретая новые объемы пространства, по мере того как новые частицы потихоньку появляются из ничего в пустотах между галактиками.

Надо сказать, что Большой взрыв космологи не просто извлекли из воздуха. Хаббл выявил из астрономических наблюдений простую математическую закономерность, благодаря которой подобное начало Вселенной стало казаться почти неизбежным. Это открытие стало неожиданным побочным результатом его работы по измерению расстояний до галактик, но идея восходит еще к Леметру и была высказана на несколько лет раньше. В начале XX века в космологии преобладали очень простые взгляды. Наша Галактика содержит все вещество во Вселенной; вне ее царит бесконечная пустота. Галактика не коллапсирует под собственным весом, потому что вращается, в результате чего вся конструкция стабильна. Когда Эйнштейн в 1915 году опубликовал общую теорию относительности, он быстро понял, что такая модель Вселенной не может быть стабильной. Под действием гравитации стационарная Вселенная непременно сколлапсирует, независимо от того, вращается она или нет. В его расчетах фигурировала сферически симметричная Вселенная, но интуитивно было понятно, что та же проблема ожидает любую стационарную релятивистскую Вселенную.

Эйнштейн искал выход и в 1917 году опубликовал новые результаты. Он добавил в свои уравнения поля дополнительный математический член — метрику, умноженную на постоянную Λ (заглавная греческая буква «лямбда»), позже получившую название космологической постоянной. Это слагаемое заставляет метрику расширяться, и при тщательной подгонке постоянной Λ это расширение в точности компенсирует гравитационный коллапс.

В 1927 году Леметр начал реализацию амбициозного проекта: определить при помощи уравнений Эйнштейна геометрию всей Вселенной. Воспользовавшись все тем же упрощающим предположением, что пространство-время сферически симметрично, он вывел явную формулу для этой гипотетической пространственно-временной геометрии. Разобравшись в смысле полученной формулы, Леметр обнаружил, что она предсказывает нечто весьма примечательное.

Вселенная расширяется[81]

.

В 1927 году по умолчанию считалось, что Вселенная всегда существовала примерно в нынешнем ее виде. Она просто была, она ничего не делала. В точности как стационарная Вселенная Эйнштейна. Но теперь Леметр утверждал на основании физической теории, которую многие по-прежнему считали несколько умозрительной, что она растет. Более того, она растет с постоянной скоростью: ее диаметр увеличивается пропорционально прошедшему времени. Леметр попытался оценить скорость расширения по данным астрономических наблюдений, но в то время эти данные были слишком рудиментарными, чтобы выглядеть убедительно.