Слева от меня сидел веселый бородач, куривший приятно пахнущую трубку (на Кубе практически везде можно курить). Это был Роберто Сусман, профессор из Universidad Nacional Autnoma de Mexico. Напротив меня расположился Аксел Де Ля Макора из института физики того же университета. Третьего собеседника я не запомнил. Они прекратили говорить между собой по-испански и, перейдя на английский, перевели внимание на мою скромную персону. Я с некоторым затруднением разъяснил, кто я такой и что я здесь делаю. После удивленного замешательства заговорили о моем писательском интересе к космологии. В принципе, сначала ничего нового в разговоре не прозвучало: перебирание все тех же аргументов и контраргументов. Однако через некоторое время я обратился к Акселу и спросил, неужели он всерьез может рассуждать о нашем человеческом отсчете времени применимо к космологическим масштабам. К моему удивлению, сначала Аксел, а потом и Роберто твердо заверили меня, что, по их мнению, наше человеческое понимание времени не имеет никакого отношения к космологии. Мы ведь отсчитываем время в соответствии с механическим движением материальных тел – например, движением Земли вокруг Солнца. Аксел сказал, что в начальные периоды развития Вселенной не было и не могло быть никаких механических объектов... Сусман сказал, что в теории Большого взрыва история Вселенной грубо подразделяется на три области, которые отражают меру нашего текущего понимания: стандартная космология, космология частиц и квантовая космология.
Стандартная космология является наиболее надежно разъясненной эпохой, охватывающей период примерно от одной сотой секунды после Большого взрыва до настоящего дня. Стандартная модель эволюции Вселенной в эту эпоху выдержала множество точных наблюдательных испытаний.
Космология частиц создает картину Вселенной, предшествующей предыдущей эпохе, при температурных режимах, которые всё еще находятся в рамках известной физики. Например, ускорители частиц высоких энергий в CERN и в лаборатории Ферми позволяют нам испытывать физические модели для процессов, которые могли происходить лишь спустя 0,00000000001 секунды после Большого взрыва. Эта область космологии является более спекулятивной, поскольку включает в себя, по меньшей мере, некоторые экстраполяции, и часто сталкивается с непреодолимыми вычислительными трудностями. Многие космологи полагают, что приемлемые экстраполяции могут быть проведены вплоть до времен фазового перехода великого объединения.
Квантовая космология рассматривает вопросы о возникновении самой Вселенной. Она стремится описать квантовые процессы в самые ранние времена, которые мы можем постичь в рамках классического пространства-времени, то есть эпоху Планка через 0,0000000000000000000000000000000000000000001 секунды. Для таких времен у нас пока нет полностью последовательной теории квантовой гравитации, эта область космологии еще более спекулятивна.
Что в человеческом понимании времени есть эпоха Планка? Это не сопоставимое с нашим пониманием времени понятие.
Тогда я спросил: почему же вы утверждаете, что возраст Вселенной приблизительно 13,7 миллиардов лет? Какой смысл имеет такое утверждение?
Аксел возразил, что в космологии они не пользуются такими понятиями, как «годы».
Я заметил, а он подтвердил, что имеется в виду измерение расстояний на космологической шкале по степени красного смещения в спектрах галактик, указывающих на доплеровский эффект, на котором и построен закон Хаббла[11].
– А все эти световые годы – это для широкой публики, – подвел итог Аксел Де Ля Макора.
– Ах, вот оно что... То есть вы сами отдаете себе отчет в том, что космологию нельзя переводить в обычные человеческие понятия, однако делаете это для широкой публики... потчуя ее «темным веществом», «темной энергией», «Большим взрывом» и «квинтэссенцией»...
– Да, нас некоторые очень не любят из-за этой мистической терминологии, – подтвердил Сусман.
– Кстати, неужели нет другого объяснения красному смещению... – завел свою любимую пластинку я. – Вот хотя бы комптоновский эффект[12]...
– Да зачем комптоновский эффект? – возразил Аксел. – Есть много объяснений типа «старения света» и т. д. Дело не в том, что можно найти другое объяснение. В отдельности на каждый феномен действительно можно найти другое объяснение, но теория расширяющейся Вселенной лучше всего объясняет все феномены сразу – равномерность распределения соотношения водорода и гелия во Вселенной, красное смещение в удаленных спектрах галактик, реликтовое излучение...
– А темное вещество, вы полагаете, скорее всего, имеет место в связи с последними находками, забившими, как говорится, гвоздь в гроб модифицированной ньютоновской теории.
– Ну а как ему не быть? – занервничал Аксел и недобро на меня посмотрел. – Вы что же, наталкиваясь на шкаф в темной комнате, будете заявлять, что шкафа в комнате нет, раз вы его не видите? Разве может быть другое объяснение, кроме физического наличия материи, которая просто никак себя не проявляет, кроме гравитационного взаимодействия с видимым веществом?
– Есть... например, галлюцинация, – заупрямился я. Аксел расстроенно на меня посмотрел и вовсе рассердился.
– Темное вещество – это что, главный вопрос теперь – это темная энергия, – перевел разговор на несколько другую тему Роберто Сусман, – гипотетическая форма энергии, имеющая отрицательное давление и равномерно заполняющая все пространство Вселенной. Согласно общей теории относительности, гравитация зависит не только от массы, но и от давления, причем отрицательное давление должно порождать отталкивание, антигравитацию. Согласно последним данным, обнаружившим ускоренное расширение Вселенной, такая сила действительно действует в космологических масштабах. Существует два варианта объяснения сущности темной энергии: темная энергия есть космологическая константа – неизменная энергетическая плотность, равномерно заполняющая пространство; или же темная энергия есть некая квинтэссенция – динамическое поле, энергетическая плотность которого может меняться в пространстве и времени.
Окончательный выбор между двумя вариантами требует высокоточных измерений скорости расширения Вселенной, чтобы понять, как эта скорость изменяется со временем. Темпы расширения Вселенной описываются космологическим уравнением состояния.
Разрешение уравнения состояния для темной энергии является одной из самых насущных задач современной наблюдательной космологии!
Введение космологической константы в стандартную космологическую модель (так называемая метрика Фридмана – Лемэтра – Робертсона – Уокера, FLRW) привело к появлению современной модели космологии, известной как лямбда-CDM модель (Lambda-Cold Dark Matter model). Эта модель прекрасно соответствует имеющимся космологическим наблюдениям.
– Да, вот и Джоэль Примак, один из создателей этой теории, которого я встретил в мае на конференции в Гарварде, тоже весьма за эту теорию агитирует... – встрял я, чтобы похвастаться своими вновь приобретенными знакомствами в «большой космологии».
– Я его знаю, – сказал Сусман, – я его встречал.
– Он, кстати, выпустил вместе с супругой книгу «Взгляд из центра Вселенной», в которой они предприняли попытку доступно разъяснить народонаселению Земли новые теории Примака в доступной каббалистически-спиритуальной форме.
– Да что вы говорите! – рассмеялся Сусман. – Я знаю Нэнси, она замечательно поет под гитару.
– Космологи пытаются рассматривать историю Вселенной с эволюционной точки зрения, поэтому, глядя на наиболее удаленные районы Вселенной, откуда свет добирался до нас более десятка миллиардов лет, они предполагают увидеть менее сформированные галактики, чтобы, так сказать, убедиться в своей правоте, однако, как назло, в так называемом Hubble Deep Field – снимках с орбитального телескопа Хаббл, сделанных специально для выявления наиболее удаленных объектов Вселенной, появляются довольно крупные и сформированные галактики. То есть в соответствии с нынешней теорией расширяющейся Вселенной, начавшейся в Большом взрыве, после этого Большого взрыва просто не остается достаточно времени на формирование таких крупных галактик. Что же будет, если мы получим еще более точный снимок, проникающий глубже назад во времени и там обнаружим гигантскую, хорошо сформированную галактику? – снова перевел я тему разговора.
11
Закон Хаббла устанавливает зависимость между расстоянием до галактики D и ее лучевой скоростью Vr, оп–еделяемой с помощью эффекта Доплера: D = Vr / H, где H постоянная Хаббла. Ее значение известно лишь приблизительно (60-80 км/с/Мпк). Этот закон был эмпирически открыт американским астрономом Э. Хабблом в 1929 г. и отражает происходящее расширение Вселенной. Использование этого закона позволяет оценить расстояние до галактик или их систем, измерив их красное смещение, или лучевую скорость.
12
Эффект Комптона (Комптон-эффект) – явление изменения длины волны рентгеновского излучения вследствие рассеяния его электронами вещества. Длина волны фотона при рассеянии всегда увеличивается, что могло бы отчасти объяснить красное смещение в спектрах удаленных галактик.