65 ½ (не)детских вопросов о том, как устроено всё - Кирилл Викторович Половников
За время жизни Вселенной реликтовое излучение очень сильно изменилось. Поскольку Вселенная все это время расширялась, то и все волны, проходящие через Вселенную, тоже должны были растянуться. Поэтому длина волны реликтового излучения все эти миллиарды лет становилась все больше и больше. И сегодня это уже не свет, испущенный высокоэнергичными частицами с температурой несколько тысяч градусов, а радиоволна, соответствующая температуре теплового излучения всего лишь на 2,7 градуса выше абсолютного нуля. Так что увидеть его своими глазами мы уже не можем. А вот наши радиоприемники и телевизоры могут ловить эти отголоски Большого взрыва и транслировать нам в виде шипящих помех или ряби на экране.
Но давайте все же вернемся к вопросу о том, где произошел Большой взрыв. Если вы захотите в сегодняшней Вселенной найти ту самую точку, из которой она начала расширяться, то вам это не удастся. Потому что в момент начала расширения всё пространство Вселенной и было этой точкой, т. е. именно из этой точки и появилось всё пространство. В том числе и то пространство, где мы с вами находимся. Так что Вселенная взорвалась сразу везде и расширяется из каждой точки сегодняшнего пространства.
С другой стороны, когда мы слышим слово «взрыв», то сразу представляем себе некий не очень большой объект, например, бомбу, которая взрывается, образуя взрывную волну, распространяющуюся в окружающем пространстве. То есть для осуществления взрыва всегда предполагается наличие внешнего по отношению к бомбе пространства. Но с Большим взрывом дела обстоят совсем иначе – поэтому слово «взрыв» в этом контексте может вводить в заблуждение. Ведь про сингулярность, из которой рождается Вселенная, невозможно сказать, что она где-то находилась. В момент рождения Вселенной всё пространство – это и есть сингулярность, которая не находится нигде. Не существует никакого внешнего по отношению к Вселенной пространства, в которое она помещена и в котором расширяется. Поэтому так поставленный вопрос о месте Большого взрыва не имеет смысла, хотя наш бытовой опыт и здравый смысл подсказывают, что для расширения чего бы то ни было внешнее пространство просто необходимо. Но ранняя Вселенная – это не то место, где интуиция и наглядные образы нашего повседневного опыта могут быть применимы. Нам придется признать, что привычные нам пространство и время когда-то возникли, дав начало всей нашей Вселенной.
Вопрос 64. Чем темная материя отличается от темной энергии?
Наверняка вы что-то слышали про темную материю или темную энергию, составляющие значительную часть всего содержимого Вселенной. Их часто отождествляют друг с другом, хотя это абсолютно разные субстанции. В чем же тогда их отличие и зачем вообще они понадобились физикам? Давайте попробуем разобраться в этом темном деле.
Начнем с темной энергии. В главе «Сколько лет нашей Вселенной и как мы это узнали?» (стр. 327) мы выяснили, что Вселенная постоянно расширяется. Это экспериментальный факт. Более того, детальный анализ многолетних астрономических наблюдений, проведенных в конце 1990‐х годов, показал, что примерно 6–7 миллиардов лет назад это расширение начало ускоряться. Так что в настоящий момент пространство Вселенной не просто расширяется, а расширяется с постоянно возрастающей скоростью. Это плохо согласуется как с нашим повседневным опытом (ведь после взрыва осколки будут разлетаться с постепенным замедлением), так и с принципами общей теории относительности (ведь под действием гравитации пространство должно «сворачиваться», а не «разворачиваться»). Пространство Вселенной ведет себя так, будто в нем действуют силы антигравитации, стремящиеся это пространство «растолкать» в разные стороны. Причем эти силы направлены не в какую-то одну сторону, а действуют во всех направлениях одинаково.
Физики долгое время не могли понять, в чем причина, что вызывает эту антигравитацию. Пока не вспомнили про тот самый лямбда-член, предложенный Эйнштейном для спасения идеи стационарной Вселенной[142]. Оказалось, что именно это дополнительное слагаемое (лямбда-член) отлично подходит на роль антигравитации, вызывающей ускоренное расширение Вселенной. По сути, лямбда-член описывает энергию вакуума или пустого пространства. Так что чем больше этого пустого пространства образуется при расширении Вселенной, тем больше будет энергия вакуума, тем сильнее она будет «расталкивать» пространство. Получается такой самоусиливающийся процесс.
Несмотря на то, что физики смогли математически довольно точно описать эту энергию вакуума, введя в свои уравнения недостающий лямбда-член, остался открытым вопрос о природе этой энергии. Что является ее источником, откуда она появляется и каким законам подчиняется? Ответов на эти и многие другие вопросы у физиков пока нет. Так что эту загадочную энергию пустого пространства назвали темной энергией. И просто так отмахнуться от ее существования невозможно, ведь по современным оценкам темная энергия составляет примерно 70 % от всей материи и энергии, содержащейся в нашей Вселенной. Причем эта доля не постоянна и в дальнейшем будет только увеличиваться. Как это происходит? Пока Вселенная была достаточно молода, в ней обычная материя и излучение доминировали над темной энергией и расширение пространства происходило с небольшим замедлением (гравитация обычной материи была сильнее антигравитации темной материи). Однако примерно 6–7 миллиардов лет назад Вселенная расширилась настолько (пространства стало настолько много), что материя и излучение уже не смогли конкурировать с темной энергией, антигравитация победила, и пространство Вселенной начало расширяться с постоянно увеличивающейся скоростью.
Существуют различные гипотезы относительно дальнейшей судьбы нашей Вселенной. Если дело так дальше и пойдет, то через некоторое время (исчисляемое многими миллиардами лет) даже ближайшие к нам галактики начнут удаляться от нас настолько быстро, что мы (а точнее – наши потомки) уже не сможем их видеть – потому что расстояние между нами будет увеличиваться быстрее скорости света. В дальнейшем отдельные звезды уже в нашей галактике начнут удаляться друг от друга,
