Вопросов об устройстве Вселенной множество, но среди них есть и такие, ответы на которые физики уже знают.

Академик Валерий Анатольевич Рубаков. Фото Наталии Лесковой.

Когда мы говорим «ранняя Вселенная», то подразумеваем состояние, которое очень сильно отличалось от нынешнего. Сегодня у нас есть звёзды, галактики, планеты, наша Земля. Между ними достаточно пусто, холодно, температура равняется примерно 2,7 К. А раньше Вселенная была горячей, вещество в ней было плотным и никаких галактик в помине не было. Вещество было распределено равномерно. Откуда мы это знаем?

Примерно полвека назад стало известно, что существует реликтовое излучение. Что это такое? Мы знаем, что горячие тела излучают. Лампочка накаливания излучает свет, горячий чайник на плите излучает в инфракрасном диапазоне. Так вот, во Вселенной была ситуация, когда вещество было очень горячим и оно точно так же испускало электромагнитное излучение, которое дошло до наших дней.

Как известно, при очень высоких температурах атомы разваливаются на электроны и протоны и образуется особая среда — плазма. Пока вещество было в плазменном состоянии, для этого электромагнитного излучения плазма была непрозрачной. А когда Вселенная расширилась и плазма остыла примерно до трёх тысяч градусов, из свободных электронов и протонов образовались атомы водорода. Их было мало, примерно 250 штук в кубическом сантиметре. Этот разреженный газ был прозрачен для электромагнитного излучения. Именно такое излучение до нас и дошло. Его называют реликтовым.

Правда, его температура в тысячу раз ниже, чем была тогда. Это произошло из-за того, что Вселенная расширяется, пространство растягивается, увеличивается длина волны, что соответствует более низким энергиям фотонов и соответственно более низким температурам.

Открытие реликтового излучения оказалось прорывом в космологии: стало ясно, что ранняя Вселенная была горячей и там царили температуры по крайней мере 10 млрд градусов. До этого предполагали, что она может быть плотной, но холодной. Теперь горячая стадия – экспериментальный факт, не оставляющий сомнений.

Эпоха термоядерных реакций

При таких температурах в веществе происходят термоядерные реакции, как в нашем Солнце. Это процессы, в результате которых образуются в основном ядра гелия. В ту эпоху термоядерных реакций, кроме гелия, возникли ядра таких элементов, как дейтерий и литий. Их образование можно предсказать на основании того, что мы знаем о расширении Вселенной и веществе в ней. Это управляется общей теорией относительности и ядерной физикой. Мы можем совершенно точно посчитать, сколько и каких элементов должно быть синтезировано при таких температурах. Можно сравнивать наблюдение и теорию. И тут есть полное согласие, в результате чего совершенно очевидно: была горячая Вселенная и были сверхвысокие температуры.

Но когда стали изучать реликтовое излучение, появилось множество вопросов, на которые невозможно ответить, если считать, что горячая стадия была самой первой. Мы знаем, что есть галактики, есть скопления галактик, и они представляют собой неоднородности вещества.

Неоднородности во Вселенной были и в очень ранние времена. Они проявляются в свойствах реликтового излучения. Его температура где-то больше, где-то меньше. Это потому, что где-то вещества образовалось больше, плотность его была выше и температура соответственно тоже выше. А где меньше — там ниже. Эти эффекты обнаружены только в 90-х годах прошлого века, то есть, можно сказать, недавно. Открытие и исследования реликтового излучения были отмечены несколькими Нобелевскими премиями, в том числе и в нынешнем году (см. статью "Эволюция вселенной и открытие первой экзопланеты" — Прим. ред.).

Оказывается, распределение температуры может многое сказать о том, как устроены неоднородности во Вселенной. Из их свойств мы знаем, что образование первичных неоднородностей произошло на очень ранней стадии, которая предшествовала стадии горячей Вселенной, а из них потом, сравнительно недавно возникли галактики, скопления галактик, мы с вами.

Путешествие во времени

Сейчас мы уверены в том, что горячая стадия не была самой первой. Почему? Будем рассуждать от противного. Мысленно перенесёмся на 14 млрд лет назад, когда произошёл Большой взрыв. С ним, кстати, тоже далеко не всё понятно. Что такое Большой взрыв в классическом понимании? Сингулярность. На уровне классической физики это бесконечная плотность энергии, бесконечный темп расширения, такая сингулярная ситуация, которая, наверное, как-то разрешается в квантовой физике. Там действуют совсем другие законы, но это какое-то пока ещё не описанное состояние пространства, времени, материи.

Как бы там ни было, давайте предположим, как считалось долгие годы, что горячая стадия была самая первая. За прошедшее с тех пор время свет пролетел известное расстояние — примерно 45 млрд световых лет. А к тому моменту, когда образовалось реликтовое излучение, этот размер был существенно меньше. Это масштаб примерно миллиона световых лет.

В такой картине горячей Вселенной никаких больших масштабов быть не могло. Мы находимся как бы в световом конусе, внутри которого разворачивается вся физика мира. Но из свойств реликтового излучения мы знаем, что во время его образования существовали неоднородности большого размера, это экспериментальный факт. Они были небольшие по амплитуде, но по размеру — гигантские, гораздо больше, чем миллион световых лет (тогдашний световой конус). Значит, они никак не могли образоваться в горячей Вселенной. Это противоречило бы принципу причинности.

Как же это объяснить? Ответ мог быть только один: неоднородности во Вселенной образовались раньше, до горячей стадии. А это означало, что первоначальная теория Большого взрыва требовала серьёзного пересмотра. Ведь именно та, более ранняя стадия отвечает за все наши неоднородности — за галактики, скопления галактик и за нас с вами. Наиболее популярной и правдоподобной гипотезой об этой стадии стала теория космической инфляции.

Всё дальше друг от друга

Мы сегодня думаем, что в первые мгновения после Большого взрыва темп расширения Вселенной был очень высоким. Все расстояния за секунду удваивались. Представьте себе: сейчас вы здесь, а через секунду уже находитесь в дальнем углу. Именно так расширялась Вселенная в эпоху термоядерных реакций.

На горячей стадии темп расширения Вселенной замедляется. Это вполне понятно: гравитационное взаимодействие пытается замедлить разлёт вещества. Всё это вполне соответствует решению уравнений общей теории относительности. А затем скорость расширения Вселенной увеличивается. Значит, существует какая-то новая форма энергии, которая приводит к чему-то вроде антигравитации. Впрочем, это может быть и космологическая постоянная, которую ввёл в свои уравнения гравитации ещё Эйнштейн.

Интересно, что Вселенная начала расширяться с ускорением сравнительно недавно — всего 6—7 млрд лет назад. Это удивительно, но также является фактом наблюдательной космологии. Сейчас нам твёрдо известно, что скорость расширения Вселенной всё время растёт. Это, конечно, не обязательно означает, что когда-нибудь она станет такой, как в первые секунды после Большого взрыва, и разорвёт нас с вами на части. Время, за которое удваивается расстояние, в обозримом будущем будет более или менее постоянной величиной. Если раньше относительный темп расширения был гигантским, то сейчас он вышел на постоянное значение, и все расстояния будут увеличиваться потихоньку, в два раза за 10 млрд лет.

Мы — дети вакуумных флуктуаций

Но вернёмся к ранней Вселенной. Космическая инфляция говорит о том, что тогда во Вселенной было совершенно другое вещество, однородное и не горячее, но пригодное для того, чтобы такой режим эволюции мог появиться. Это пока только теория, но имеющая уже довольно много доказательств.

В становлении теории инфляции большую роль сыграли наши соотечественники. В частности, в работах Алексея Старобинского, Геннадия Чибисова и Вячеслава Муханова убедительно объяснено, как образовались неоднородности во Вселенной из квантовых флуктуаций. За эти работы Старобинский и Муханов удостоены престижной премии Грубера в 2013 году и медали Дирака в 2019-м.

Что это за флуктуации? Когда-то в школе нас учили, что вакуум — это пустота. Сегодня мы знаем, что на самом деле вакуум не простая и совсем не пустая среда. Там присутствуют разные поля, которые то появляются, то исчезают — флуктуируют. Причём флуктуируют все поля, какие есть в природе. Например, вакуумные флуктуации электромагнитных полей взаимодействуют с электронами в атоме. Результатом таких взаимодействий являются наблюдаемые эффекты, рассчитанные с большой точностью. Так вот, если есть быстро растягивающееся пространство, эти флуктуации могут многократно усилиться, и тогда они станут довольно большими по амплитуде. Такое усиление, скорее всего, и ответственно за то, что у нас появились неоднородности. Мы с вами — далёкие потомки вакуумных флуктуаций полей, которые были на ранней стадии нашей Вселенной.

Но стадия инфляции с экспоненциальным расширением однажды должна была закончиться, и освободившаяся в результате колоссальная энергия пошла в тепло. Так началась горячая стадия. Как именно произошёл этот переход от инфляционной стадии к горячей, пока неизвестно. Но теоретически понятно, что всё это могло происходить, и теория инфляции отлично сопрягается с теорией горячей Вселенной и не противоречит теории Большого взрыва.

Скачущая Вселенная

Есть, впрочем, и другие теории. Те наблюдательные факты, которые мы видим, можно описывать не обязательно инфляцией, хотя теоретически это не так красиво. В принципе, могло быть так, что Вселенная начала расширяться не с фазы инфляции, а с отскока. То есть до этого она, наоборот, сжималась, потом остановилась, а уже затем перешла на стадию расширения. Модели с отскоком тоже существуют, и они тоже способны объяснить свойства первичных неоднородностей. Или это может быть циклический процесс: расширение — сжатие. К слову, тогда в сингулярность Вселенная никогда не попадает. Но создать теоретические модели, которые были бы самосогласованы, очень непросто. И вот только сейчас появляются теории, в которых такое возможно. Они очень сильно отличаются от того, к чему мы привыкли.

Мы понимаем, что корректно рассуждать не обо всей Вселенной, а только о видимой нами части. Хотя в своих фантазиях можно пытаться заглянуть и за горизонт наших возможностей, представить, что Вселенная столь огромна, что законы взаимодействия в разных её частях могут быть совершенно разными, и то, что наблюдаем мы, совсем не обязательно распространяется на всю Вселенную. В этой картинке становится понятным, что мы с вами тоже являемся неким экспериментальным фактом и находимся в той части Вселенной, где есть условия для нашего существования, а не в произвольном месте во Вселенной, где мы жить бы не смогли.

По этой логике можно вообразить себе такие части Вселенной, где возникновение жизни (во всяком случае, жизни, подобной нашей) в принципе невозможно. Скажем, всё вещество там сразу распадается на кванты электромагнитного поля, на фотоны. А из них никакого материального объекта не создашь.

Если это так, возникает ряд увлекательных, но сложных вопросов. Например, находимся ли мы в типичном месте во Вселенной или в таком, где созданы специальные условия для нашего существования? Ясно, что ответа на эти вопросы у нас нет. Хотя есть учёные, которые пытаются доказать, что мы находимся в совсем нетипичном месте, а типичное выглядело бы так, будто там совершенно случайным образом атомы сложились в некий мозг, который просуществовал бы очень недолгое время. Его называют «больцмановский мозг» в честь Людвига Больцмана, внёсшего большой вклад в развитие статистической физики.

Сегодня у нас нет данных, свидетельствующих о том, что в разных частях Вселенная различна — во всяком случае, если речь идёт о видимой её части. Наоборот, если взять и усреднить по сравнительно небольшим объёмам, скажем, миллиард световых лет, Вселенная выглядит примерно одинаково. Остальное — домыслы.

Не менее увлекательна теория мини-вселенных, отщепляющихся от нашей, а может быть наоборот: наша Вселенная появилась как дочерняя, отщепившись от чего-то ещё. Такие возможности мы с коллегами обсуждали, писали красивые формулы, рисовали графики. Всё это, конечно, очень интересно и вроде бы вполне возможно, но важно понимать, что это пока чистая теория.

Опыт — сын ошибок трудных

Вообще, должен сказать, космология становится всё менее умозрительной наукой и всё меньше нуждается в домыслах и фантазиях. Хотя, конечно, фантазии для учёного — это всегда важно. Но важно и не забывать об эксперименте.

Космология как настоящая экспериментальная наука, имеющая массу наблюдательных данных высочайшего качества, возникла всего-то 30—35 лет назад. До этого данные были очень скудные, телескопы не могли проникнуть в дальние уголки видимой части Вселенной. Сегодня технический прогресс таков, что мы видим огромную её часть, она детально изучена, есть карты Вселенной. Это задача потрясающая, невообразимая ещё недавно. Про то же реликтовое излучение сейчас мы знаем очень много, а лет 30 назад не знали почти ничего. Сегодня у нас есть высококачественная карта температур реликтового излучения на небесной сфере. Фантастический технический прогресс произошёл в этой области за последние годы, и именно благодаря ему мы понимаем, как Вселенная развивалась, какие у неё были начальные условия.

Очень важная вещь — гравитационные волны, которые открыты в 2015 году, хотя предполагали их существование значительно раньше. Теория инфляции предсказывает, что должны быть и реликтовые гравитационные волны со всеми длинами вплоть до современного размера Вселенной. Если это так, должен быть гравитационно-волновой шум на всех длинах волн. И это можно пытаться обнаружить, потому что гравитационные волны накладывают отпечаток на реликтовое излучение, на его поляризацию.

Особенности этой поляризации однозначно должны нам сказать, есть ли такие реликтовые гравитационные волны — гигантские по размерам, составляющим десятки миллиардов световых лет. Если они будут обнаружены, теория инфляции будет подтверждена окончательно и бесповоротно.

Вселенная — странная особа

Не так давно американские исследователи, проводя эксперимент на Южном полюсе, объявили о том, что они видят эффект гравитационных волн. Весь учёный мир замер в предвкушении. Но объявлять сенсацию было рано: к поляризации излучения могут приводить различные факторы, в том числе космическая пыль. Уметь разделить различные источники — это большое искусство.

Однако мир поспешно облетела новость: получено косвенное доказательство инфляционной модели — поляризация реликтового излучения, которая могла быть вызвана первичными гравитационными волнами. Увы, более поздний анализ, проведённый другой группой исследователей с использованием данных обсерватории «Планк», показал, что результат можно полностью отнести на счёт галактической пыли. Так что инфляция пока остаётся хорошей гипотезой, но — гипотезой.

Вообще, если говорить о нашей Вселенной, то я бы назвал её весьма странной особой. Её поведение для теоретика, для кабинетного учёного выглядит порой непредсказуемо. Чего стоит расширение Вселенной, тёмная материя с её непонятными свойствами или так называемый антропный принцип, согласно которому все параметры во Вселенной сложились таким образом, чтобы могли появиться мы с вами — наблюдатели. И если хоть немного изменить хотя бы один из этих параметров, нас уже не будет. Понятно, что у многих по этому поводу возникает вопрос о Творце, который умышленно создал этот мир таким, какой он есть.

Я уважительно отношусь к чувствам верующих, считаю, что вопрос об отношении к религии каждый должен решать для себя сам. Но космология — упрямая наука, и в ней Творец как некая верховная сущность, отдельная от мира и создавшая его, совершенно не требуется. Как говорил французский математик и физик Пьер-Симон Лаплас, в этой гипотезе мы не нуждаемся. Всё, что мы сегодня знаем о Вселенной, прекрасно объясняется без привлечения высших сил. А если не объясняется, значит, эти знания ещё нами не получены. Думаю, человечеству в ближайшее время предстоит сделать немало удивительных открытий, ведь наука не стоит на месте, она стремительно развивается.

№11, 2019