Вселенная. Путешествие во времени и пространстве - Сергей Арктурович Язев
Но излучение из области В с противоположной стороны от А тоже шло к нам более 13 миллиардов лет, и область В сейчас тоже находится от нас в 45 миллиардах световых лет. Получается, что в данный момент между областями А и В расстояние умопомрачительно — 90 миллиардов световых лет! И при этом интенсивность излучения от обеих областей почему-то одинакова.
Почему это так? Ведь находящиеся на большом удалении области не могли обменяться сигналами, не могли сгладить свои плотность и температуру, чтобы выглядеть одинаково. Не могли потому, что даже свет — самый быстрый агент в мире — за все время существования Вселенной прошел только 13,8 миллиарда световых лет, а ему надо было бы пройти 90 миллиардов световых лет. Получается, что области А и В никак не могут быть связаны друг с другом. Строго говоря, интенсивность их излучения (да и природа) могла бы сильно отличаться, она совсем не обязана быть одинаковой повсюду. В чем же дело? Ведь не существуют физические процессы, которые могли распространяться со скоростью, превышающей скорость света, чтобы сгладить и уравнять условия в удаленных друг от друга местах Вселенной! Этот парадокс и называется проблемой горизонта.
Можно попытаться объяснить удивительную однородность реликтового излучения и одинаковость флуктуаций во всех направлениях следующим образом. Ведь в прошлом вся материя Вселенной была более плотной, значит, области А и В раньше были ближе друг к другу. Сейчас они очень далеки, но когда они были ближе, возможно, свет (или что-то другое) мог успеть пройти от точки А до точки В и передать сигнал (какое-то физическое воздействие), который уравнял условия в этих точках?
Эта гипотеза не подтверждается. Расчеты показывают, что по мере удаления в прошлое радиус горизонта уменьшается быстрее, чем расстояние между удаленными областями. Значит, в прошлом проблема усугублялась: наоборот, даже те области, которые сейчас могут быть связаны друг с другом (свет к сегодняшнему дню успел пройти расстояние между ними), в прошлом не были связаны (свет еще не успел пройти расстояние от одной такой области до другой). Проблема горизонта выглядела неразрешимой. Что уравняло условия в областях Вселенной, которые в принципе не могут никак быть связаны между собой?
У теории Большого взрыва есть еще одна проблема. Согласно моделям Фридмана, судьба Вселенной зависит от средней плотности материи в ней. Если плотность материи больше критического значения (расчеты показывают, что эта величина равна 10−34 г/см3), то суммарная гравитация материи должна остановить расширение Вселенной (инерцию Большого взрыва) и обратить его вспять: галактики должны потерять скорость, остановиться, а затем начать сближение с ускорением.
Если плотность материи[57] ниже критической, гравитации не удастся победить: разлет галактик должен продолжаться вечно, а с увеличением расстояния между галактиками роль их взаимного притяжения должна уменьшаться.
Строго говоря, в раскаленном кипящем огненном хаосе Большого взрыва могло родиться, наверно, разное количество материи, обладающей разной энергией (а значит, и массой). Понятно, что вероятность того, что средняя плотность материи во Вселенной могла почему-то получиться точно равной критической — тому самому значению, которое разделяет открытые и закрытые варианты моделей Фридмана, — выглядит исчезающе малой. Тем не менее похоже, что она именно такова! Понятно, что точно определить, сколько всего энергии/массы содержится во Вселенной и какова плотность ее содержания на единицу объема, можно только приблизительно, но современные оценки оказываются подозрительно близкими к значению критической плотности (с точностью до одного процента).
Можно подойти к вопросу иначе: ведь при критическом значении плотности геометрия Вселенной в больших масштабах должна быть плоской. Это значит, что направление, по которому распространяется свет в пустом пространстве, должно представлять собой привычную нам прямую линию. В треугольнике (например, с вершинами в трех далеких галактиках) сумма углов должна быть равна точно 180 градусам — в нашем мире должна царить геометрия Евклида[58]. В такой Вселенной упомянутый выше звездолет, упорно летящий по прямой, никогда не попадет в точку, из которой он вылетел, с противоположной стороны: при плотности материи, равной критической, Вселенная становится неискривленной и бесконечной.
Вершины треугольника ABC находятся в различных галактиках. Звездолет, всегда летящий по прямой в плоском пространстве, не попадет в точку старта.
Остается непонятным: что же отрегулировало Вселенную с высочайшей точностью таким образом, чтобы средняя плотность материи в ней оказалась именно критической — не больше и не меньше? Плотность уменьшается со временем (Вселенная расширяется, в каждой единице ее объема постепенно становится все меньше и вещества, и излучения). Расчеты показывают, что если бы в самом начале развития Вселенной плотность материи оказалась бы слегка (например, на 1 %) больше критической, со временем это привело бы к катастрофе. Американский космолог русского происхождения Александр Виленкин показал, что буквально через минуту плотность оказалась бы вдвое больше критической, а уже через три с половиной минуты плотность материи оказалась бы столь высокой, что гравитация победила бы окончательно, и Вселенная сжалась бы в точку. Наоборот, если бы плотность материи изначально оказалась на 1 % ниже критической, то примерно через год это отношение выросло бы уже в триста тысяч раз(!). Это означало бы, что разреженный газ никогда не смог бы сгуститься в протогалактики, чтобы породить звезды, а затем планеты и жизнь хотя бы на одной из них.
Для того чтобы спустя почти 14 миллиардов лет после Большого взрыва средняя плотность материи была бы с очень высокой степенью точности близкой к критической (что мы сегодня наблюдаем), она должна была оказаться близкой к критической в самом начале, причем с фантастически высокой точностью — начальное отклонение от критической точности должно быть не больше одной статриллионной доли процента[59]. Явных причин, почему всё должно было случиться именно так, не видно — конечно, если не рассматривать гипотезу о том, что кто-то тщательным образом конструировал Вселенную, детально продумывая параметры Большого взрыва и подгоняя под свой грандиозный план значение плотности материи. Эту проблему называют проблемой тонкой настройки (fine tuning) или, по-другому, проблемой плоской геометрии Вселенной.
В моделях Фридмана (см. рис. на с. 179) самая высокая скорость разлета материи должна наблюдаться в «момент 0», — в самом начале, в момент Большого Взрыва. Дальше материя разлетается по инерции, теряя скорость, —
