Вершиной всей этой работы стала стандартная модель пространственно-временной геометрии Вселенной — метрика Фридмана — Эйнштейна — Робертсона — Уолкера, окончательно сформулированная в 1930-е годы. На самом деле это целое семейство решений, каждое из которых дает возможный вариант геометрии. Там присутствует и параметр, определяющий кривизну, которая может быть положительной, отрицательной или равной нулю. Каждая вселенная в этом семействе гомогенна (однородна, одинакова во всех точках) и изотропна (одинакова во всех направлениях) — это главные условия, принятые при выводе формулы. Пространство-время может расширяться или сжиматься, а его базовая топология может быть простой или сложной. Эта метрика допускает также включение космологической константы.
Поскольку время родилось с Большим взрывом, нет никакой логической необходимости говорить о том, то происходило «до того». Никакого «до того» не было. Физика была готова к этой радикальной теории, поскольку квантовая механика показывает, что частицы могут возникать спонтанно из ничего[84]. Если это может делать частица, то почему не Вселенная? Если на это способно пространство, то почему не время? Космологи и сегодня считают, что по существу это верно, хотя они уже начинают сомневаться, действительно ли можно «до того» так легко отбросить. Подробные физические расчеты позволяют построить сложную и очень точную хронику, согласно которой Вселенная возникла 13,8 миллиарда лет назад как точка[85] и с тех пор непрерывно расширяется.
Одна из самых загадочных черт Большого взрыва заключается в том, что отдельные галактики и даже гравитационно связанные скопления галактик не расширяются. Мы можем оценить размеры далеких галактик, и статистическое распределение размеров среди них примерно такое же, как и среди близлежащих галактик. Наблюдаются гораздо более странные процессы. Меняется шкала расстояний пространства. Галактики расходятся друг от друга прочь, потому что между ними появляется новое пространство, а не потому, что они разлетаются в противоположных направлениях в каком-то фиксированном пространстве.
Это приводит к некоторым парадоксальным эффектам. Галактики на расстоянии более 14,7 миллиарда световых лет удаляются от нас так быстро, что по отношению к нам они движутся со скоростью, большей скорости света. Тем не менее мы их все еще видим.
В этих утверждениях, кажется, три вещи не могут быть правильными. Поскольку возраст Вселенной составляет всего 13,8 миллиарда лет, а первоначально все ее вещество находилось в одной точке, то как что бы то ни было может оказаться от нас на расстоянии 14,7 миллиарда световых лет? Это что-то должно было бы все это время двигаться быстрее света, хотя теория относительности это запрещает. По той же причине галактики в настоящее время не могут двигаться быстрее света. Наконец, если бы они это делали, мы бы не могли их видеть.
Чтобы понять, почему эти утверждения все же имеют смысл, мы должны чуть лучше разобраться в теории относительности. Да, она запрещает материи двигаться быстрее света, но этот предел берется по отношению к окружающему пространству. Однако теория относительности не запрещает пространству расширяться быстрее света. Так что некая область пространства вполне могла бы превысить световой предел, тогда как материя внутри этой области сохраняла бы скорость ниже скорости света по отношению к вмещающему ее пространству. Мало того, материя вообще могла покоиться относительно окружающего ее пространства, в то время как само пространство расширялось бы куда-то со скоростью, в 10 раз превосходящей скорость света. В точности как мы можем мирно сидеть, попивать кофе и почитывать газету внутри пассажирского самолета, летящего со скоростью 700 километров в час.
Этим же объясняется и тот факт, что упомянутые выше галактики могли оказаться от нас за 14,7 миллиарда световых лет. Им самим не пришлось преодолевать это расстояние. Выросло количество пространства, лежащего между ними и нами.
Наконец, свет, посредством которого мы наблюдаем эти далекие галактики, — это вовсе не тот свет, который они излучают в настоящее время. Это свет, который они испустили в прошлом, когда находились к нам ближе. Вот почему наблюдаемая Вселенная оказывается больше, чем мы могли бы ожидать.
Возможно, за обдумыванием всего этого вам захочется выпить кофе и почитать газету.
А вот еще одно забавное следствие.
Согласно закону Хаббла, у далеких галактик красное смещение больше, так что они должны двигаться быстрее. На первый взгляд это противоречит метрике Фридмана — Леметра — Робертсона — Уолкера, которая предсказывает, что расширение с течением времени должно замедляться. Но, опять же, мы должны думать релятивистски. Чем дальше находится галактика, тем больше времени нужно свету, чтобы дойти до нас. Ее нынешнее красное смещение соответствует ее скорости тогда. Поэтому из закона Хаббла следует, что, чем дальше в прошлое мы заглядываем, тем быстрее пространство тогда расширялось. Иными словами, первоначально расширение было стремительным, но затем замедлилось в соответствии с Фридманом — Леметром — Робертсоном — Уокером.
Это вполне разумно, если считать, что все расширение Вселенной придал начальный Большой взрыв. Когда Вселенная начала расти, ее собственная гравитация начала противодействовать этому процессу и тянуть ее обратно. Наблюдения указывают, что примерно до 5 миллиардов лет назад именно так и происходило. Расчеты основываются на законе Хаббла, который гласит, что скорость расширения растет на 218 километров в час на каждый дополнительный миллион световых лет расстояния. То есть скорость расширения увеличивается на 218 километров в секунду с каждым миллионом лет в прошлое; это значит, что каждый миллион лет после Большого взрыва она снижалась на 218 километров в секунду.
В главе 17 мы увидим, что это замедление расширения Вселенной, судя по всему, уже прекратилось, и теперь расширение вновь ускоряется, но не будем пока углубляться в этот вопрос.
Следующим шагом было получить независимые свидетельства, подтверждающие Большой взрыв. В 1948 году Ральф Альфер и Роберт Херман[86] предсказали, что Большой взрыв должен был, по идее, оставить отпечаток на уровнях излучения Вселенной в форме однородного космического микроволнового фонового излучения, или реликтового излучения. Согласно их расчетам, температура реликтового излучения — то есть температура источника, способного дать такой уровень излучения, — составляет около 5 K. В 1960-е годы Яков Зельдович и Роберт Дикке независимо друг от друга и заново получили тот же результат. Астрофизики Андрей Дорошкевич и Игорь Новиков поняли в 1964 году, что в принципе реликтовое излучение можно наблюдать и даже использовать для проверки гипотезы Большого взрыва.
В том же году коллеги Дикке Дэвид Уилкинсон и Питер Ролл начали строить радиометр Дикке для измерения реликтового излучения. Радиометр Дикке — это радиоприемник, способный измерять среднюю мощность сигнала в некотором диапазоне частот. Но прежде чем они успели закончить работу, их опередила другая группа. В 1965 году Арно Пензиас и Роберт Уилсон использовали принцип радиометра Дикке при работе с малошумящей рупорно-параболической приемной радиоантенной, созданной компанией Bell Laboratories для работы со спутниками связи Telstar. Пытаясь разобраться с источником назойливого «шума», они поняли, что шум этот имеет космологическое происхождение, а не возникает в результате какой-то недоработки в конструкции их электронных устройств. Шум не имел конкретного источника; вместо этого он был равномерно распределен по всему небу. Его температура равнялась примерно 4,2 K. Так впервые удалось пронаблюдать реликтовое излучение.
Интерпретация реликтового излучения вызывала в 1960-е годы горячие споры, и физики, предпочитавшие теорию стационарной Вселенной, утверждали, что реликтовое излучение — это рассеянный свет звезд далеких галактик. Но к 1970 году большинство ученых сошлось во мнении, что реликтовое излучение — свидетельство в пользу Большого взрыва. Хокинг назвал это наблюдение «последним гвоздем в гроб теории стационарной Вселенной». Решающим фактором послужил спектр этого излучения, очень похожий на излучение абсолютно черного тела, что противоречило теории стационарной Вселенной. Сегодня космическое микроволновое излучение считается реликтом, оставшимся от Вселенной, когда ей было всего 379 000 лет. В то время ее температура упала до 3000 K, в результате чего электроны получили возможность соединяться с протонами и образовывать атомы водорода. Вселенная стала прозрачной для электромагнитного излучения. Да будет свет!
Теория предсказывает, что реликтовое излучение не должно быть в точности одинаковым во всех направлениях. В нем должны быть очень маленькие флуктуации, порядок величины которых оценивается в 0,001–0,01 %. В 1992 году аппарат NASA под названием COBE (Cosmic Background Explorer — Исследователь космического фона) измерил эти неоднородности. Более подробно их структуру выявил зонд WMAP. Полученные подробности стали основным средством сравнить реальность с предсказаниями из различных вариантов теории Большого взрыва и других космологических сценариев.
Несколько лет назад, когда мы с семьей путешествовали по Франции, мы обратили внимание на забавную вывеску — Restaurant Univers (ресторан «Вселенная»). В отличие от выдуманного Дугласом Адамсом «Ресторана на краю Вселенной», навечно замершего на самом краю конечной точки пространства и времени, это была совершенно нормальная кафешка при отеле «Вселенная». Который, в свою очередь, был совершенно нормальным отелем в Реймсе и находился в идеально правильной точке пространства и времени для четырех усталых и голодных путешественников.