Эйнштейн был бы поражен, узнав, что его «небольшая публикация» в конечном счете была далеко не бесполезной. Дополненный новыми замечательными инструментами экспериментов и наблюдений, открывшими нам новые окна в космос, новыми теоретическими разработками, которые бы поразили и восхитили Эйнштейна, и открытием темной материи, которое, наверняка, подняло бы его кровяное давление, маленький шаг Эйнштейна в мир искривленного пространства, в конечном счете, превратился в гигантский скачок. В начале 1990-х годов Святой Грааль космологии, по-видимому, был обретен. Наблюдениями было установлено, что мы живем в открытой Вселенной, которая поэтому будет расширяться вечно. Или нет?
Глава 3: Свет от начала времен
И ныне, и присно, и во веки веков.
Если вы размышляете, пытаясь определить общую кривизну Вселенной, измеряя содержащуюся в ней общую массу, а затем используя уравнения общей теории относительности, отматывание пленки назад имеет огромные потенциальные проблемы. Вы неизбежно должны задаться вопросом, скрыта ли материя так, что мы не можем ее обнаружить. Например, мы можем исследовать наличие материи в этих системах, используя гравитационную динамику видимых систем, таких как галактики и скопления. Если значительная масса каким-то образом находится в другом месте, мы ее пропустим. Было бы гораздо лучше непосредственно измерить геометрию всей видимой Вселенной.
Но как можно измерить трехмерную геометрию всей видимой Вселенной? Легче начать с более простого вопроса: как бы вы определили, что двумерный объект, такой как поверхность Земли, был изогнут, если бы не могли обойти вокруг Земли и не могли подняться над ней в спутнике и посмотреть вниз?
Во-первых, вы могли бы спросить ученика средней школы, какова сумма углов в треугольнике? (Только выбирайте среднюю школу тщательно… Европейская школа подойдет.) Вам бы сказали, что 180 градусов, потому что ученик, без сомнения, изучал евклидову геометрию — геометрию, ограниченную плоским листом бумаги. На изогнутой двумерной поверхности, такой как глобус, вы можете нарисовать треугольник, сумма углов которого намного больше, чем 180 градусов. Рассмотрим, например, линию, нарисованную вдоль экватора, затем идущую под прямым углом, доходящую до Северного полюса, а затем идущую еще под прямым углом на юг к экватору, как показано ниже. Три раза по 90 дает 270, намного больше, чем 180 градусов. Вуаля!
Оказывается, это просто, двумерное мышление распространяется прямо и одинаково на три измерения, потому что математики, которые впервые предложили неплоскую, или так называемую неевклидову, геометрию поняли, что одни и те же возможности могут существовать в трех измерениях. Кстати, самый известный математик девятнадцатого века, Карл Фридрих Гаусс, был так очарован возможностью, что наша Вселенная может быть изогнута, что взял данные карт геодезической съемки за 1820-е и 30-е годы, чтобы измерить большие треугольники между немецкими горными вершинами Hoher Hagen, Inselberg и Bracken, и определить, может ли он обнаружить какую-либо кривизну самого пространства. Конечно, тот факт, что эти горы находятся на изогнутой поверхности Земли, означает, что двумерная кривизна поверхности Земли мешала бы любым измерениям, которые он выполнял, чтобы исследовать кривизну в фоновом трехмерном пространстве, в котором находится Земля, что он должен был знать. Я предполагаю, что он планировал вычесть все такие вклады из своих конечных результатов, чтобы увидеть, мог ли быть связан какой-либо возможный остаток кривизны с искривлением фонового пространства.
Первым человеком, попытавшимся окончательно измерить кривизну пространства, был никому не известный математик Николай Иванович Лобачевский, живший в далекой Казани в России. В отличие от Гаусса, Лобачевский был фактически одним из двух математиков, имевших смелость предположить в печати возможность так называемых гиперболических криволинейных геометрий, где параллельные линии могут расходиться. Примечательно, что Лобачевский опубликовал свою работу по гиперболической геометрии (которую мы теперь называем «отрицательно искривленными» или «открытыми» вселенными) в 1830 году.
Вскоре после этого, рассматривая, может ли наша собственная трехмерная вселенная быть гиперболической, Лобачевский предположил, что есть возможность «исследовать звездный треугольник для экспериментального решения этого вопроса». Он предположил, что можно воспользоваться наблюдениями за яркой звездой Сириус, когда Земля была по разные стороны своей орбиты вокруг Солнца, с интервалом в шесть месяцев. Исходя из наблюдений, он пришел к выводу, что кривизна нашей Вселенной должна быть, по крайней мере, в 166 000 раз больше радиуса орбиты Земли.
Это большое число, но это тривиально мало по космическим масштабам. К сожалению, тогда как у Лобачевского была правильная идея, он был ограничен технологиями своего времени. Однако сто пятьдесят лет спустя ситуация улучшилась благодаря наиболее важному из всех наблюдений в космологии: измерению космического микроволнового фонового излучения, или реликтового излучения.
Реликтовое излучение — это не что иное, как остаточное свечение Большого Взрыва. Оно дает еще ряд прямых доказательств, если требуются, что Большой Взрыв действительно имел место, потому что это позволяет нам непосредственно оглянуться назад и определить природу очень молодой, горячей Вселенной, из которой позже появились все структуры, которые мы видим сегодня.
Одна из многих замечательных вещей в космическом микроволновом фоновом излучении — это то, что оно было обнаружено в Нью-Джерси, кто бы мог подумать, двумя учеными, которые действительно не имели ни малейшего представления о том, что они искали. Другое дело, что оно существовало практически у всех перед носом в течение многих десятилетий, потенциально наблюдаемое, но совершенно не замечаемое. На самом деле, возможно, вы достаточно старый, что наблюдали его эффекты, не осознавая этого, если вы помните дни до кабельного телевидения, когда каналы использовали, заканчивая вещание в предрассветные утренние часы, а не запускали на всю ночь рекламные ролики. Когда эфир заканчивался, после показа телевизионной таблицы, на экран возвращались помехи. Около 1 процента этих помех, которые вы видели на экране телевизора, было излучением, оставшимся от Большого Взрыва.
Происхождение космического микроволнового фонового излучения относительно ясно. Поскольку Вселенная имеет конечный возраст (напомним, это 13 720 000 000 лет), и поскольку мы высматриваем все более удаленные объекты, мы смотрим все дальше назад во времени (так как свету требуется больше времени, чтобы добраться до нас от этих объектов), и можно представить, что если бы мы взглянули достаточно далеко, мы бы увидели сам Большой Взрыв. В принципе, это не невозможно, но на практике между нами и теми давними временами лежит стена. Не физическая стена, как стены помещения, в котором я это пишу, но стена, которая, в значительной мере, оказывает такое же воздействие.
Я не могу видеть через стены в моей комнате, потому что они непрозрачны. Они поглощают свет. Итак, когда я смотрю в небо все дальше и дальше назад во времени, я смотрю на Вселенную, когда она была все моложе и моложе, а также все горячее и горячее, потому что она охладилась со времен Большого Взрыва. Если я посмотрю назад достаточно далеко, в то время, когда Вселенной было примерно 300 000 лет, температура Вселенной была примерно на 3 000 градусов (по шкале Кельвина) выше абсолютного нуля. При этой температуре окружающее излучение обладало настолько большой энергией, что могло разбивать атомы, преобладающие во Вселенной, атомы водорода, на отдельные составляющие, протоны и электроны. До этого времени нейтральной материи не существовало. Обычная материя Вселенной, сделанная из атомных ядер и электронов, состояла из плотной «плазмы» заряженных частиц, взаимодействующих с излучением.
Плазма, однако, могла быть непрозрачной для излучения. Заряженные частицы в плазме поглощали фотоны и переизлучали их, так что излучение не могло легко проходить через такое вещество беспрепятственно. В результате, если я попытаюсь посмотреть назад во времени, я не смогу увидеть дальше времени, когда материя во Вселенной состояла в основном из такой плазмы.
Еще раз, это как стены в моей комнате. Я вижу их только потому, что электроны в атомах на поверхности стены поглощают свет от освещения в моем кабинете, а затем переизлучают его, при этом воздух между мной и стеной прозрачен, так что я могу видеть на всем протяжении до поверхности стены, излучающей свет. Так же и со Вселенной. Я могу видеть весь путь назад до той «поверхности последнего рассеяния», которая была моментом, когда Вселенная стала нейтральной, и протоны объединились с электронами в нейтральные атомы водорода. После этого момента Вселенная стала в значительной степени прозрачной для излучения, и теперь я могу видеть излучение, которое поглощалось и переизлучалось электронами, когда материя во Вселенной стала нейтральной.
Поэтому картина Большого Взрыва Вселенной предсказывает, что должно быть излучение, идущее ко мне со всех направлений от той «поверхности последнего рассеяния». Поскольку Вселенная с тех пор расширилась примерно в 1000 раз, излучение на пути к нам остыло и теперь имеет температуру около 3 градусов выше абсолютного нуля. И это именно тот сигнал, который обнаружили два незадачливых ученых в Нью-Джерси в 1965 году, и за открытие которого позднее они были удостоены Нобелевской премии.
Вообще-то, совсем недавно была присуждена вторая Нобелевская премия за наблюдение космического микроволнового фонового излучения, и не зря. Если бы мы могли сфотографировать поверхность последнего рассеяния, мы получили бы картину новорожденной Вселенной в возрасте всего лишь 300 тысяч лет от ее возникновения. Мы смогли бы увидеть все структуры, которые в один прекрасный день сжались, сформировав галактики, звезды, планеты, пришельцев и все остальное. Самое главное, эти структуры не изменялись под действием всей последующей динамической эволюции, которая может затруднить понимание природы и происхождения первых крошечных первичных возмущений в материи и энергии, которые предположительно были созданы экзотическими процессами в самые первые моменты Большого Взрыва.