Первое свидетельство в пользу того, что Вселенная расширяется,
сформулировали сотни или тысячи лет назад: тот простой факт, что
небо ночью темное. Впоследствии астрономы привели множество других
доказательств, и, насколько можно судить, Вселенная расширялась в
течение 13,8 миллиарда лет. Согласно теориям Стивена Хокинга и
Роджера Пенроуза, если вы перенесетесь на 13,8 миллиарда лет назад,
Вселенная в этот момент должна быть очень маленькой и плотной, а
наши физические законы не должны будут в ней работать. Эту точку
нарушения наших представлений о законах физики мы называем Большим
взрывом. Что же мы знаем об истории Вселенной после Большого
взрыва?Свидетельства расширения ВселеннойНачнем с того факта, что
небо ночью темное. Представьте себе, что Вселенная все время была
статичной. В таком случае, если бы Вселенная была бесконечной и
существовала бесконечное время, так или иначе, куда бы вы ни
посмотрели, вы бы видели звезду в каждой точке Вселенная была бы
такой же яркой и горячей, как Солнце. Но очевидно, что это не так.
На это указал астроном Генрих Ольберс несколько столетий назад, и я
бы рассматривал это как первое свидетельство в пользу того, что
Вселенная нестационарна.Принято считать, что на расширение
Вселенной первым указал американский астроном Хаббл, который в
1920-е годы наблюдал за галактиками. Он обнаружил, что свет дальних
галактик различается в зависимости от того, насколько галактика
удалена от Земли: свет от более далеких галактик краснее, чем свет
от ближних. Хаббл установил, что этот эффект растет почти линейно с
увеличением расстояния. Как это можно объяснить? Дело в том, что
галактика испускает самый обычный свет, но за то время, пока он
доходит до Земли, Вселенная успевает расшириться. Таким образом,
волны света, исходящего от удаленной галактики, растягиваются, в
результате чего он выглядит более красным. Это второе свидетельство
в пользу того, что Вселенная расширяется.Третье свидетельство в
пользу расширения Вселенной возвращает нас к ранней истории
Вселенной это открытие в 1960-х годах космического излучения,
которое наполняет всю Вселенную. Оно исходит не от звезд и почти
изотропно, то есть, в каком направлении вы бы ни посмотрели, оно
выглядит почти одинаково. Как же это можно объяснить? Это можно
объяснить так, что примерно через 380 тысяч лет после Большого
взрыва образовались первые атомы. До этого Вселенная была слишком
горячая, слишком плотная, давление в ней было слишком высокое,
поэтому, если бы вы попытались собрать атомы, они бы распались. Но
постепенно Вселенная остывала и расширялась, и образовались атомы,
которые в момент формирования испускали, можно сказать, крик
новорожденного излучение, которое мы по-прежнему видим во Вселенной
вокруг нас. Когда это произошло, температура Вселенной должна была
составлять несколько тысяч градусов Кельвина в тысячу раз больше,
чем сейчас. Сейчас температура Вселенной около 3 кельвинов. Это
третье свидетельство в пользу расширения Вселенной.Есть четвертое
свидетельство, которое обращается к еще более ранней истории
Вселенной, это измерения, показывающие изобилие в космосе легких
элементов: водорода, гелия, лития. Мы сомневаемся, что эти
элементы, в особенности гелий и литий, могли сформироваться в
звездах: в них образуются тяжелые элементы, но не гелий. Тогда как
же образовался гелий? Мы полагаем, что он образовался через
несколько минут после Большого взрыва тогда плотность и давление во
Вселенной должны были быть достаточно большими, чтобы начались
ядерные реакции. Вероятно, во всей Вселенной через несколько минут
после Большого взрыва происходили такие же ядерные реакции, какие
происходят сегодня в ядре Солнца. Мы можем рассчитать, в каком
соотношении во время этого процесса теоретически должны были
родиться легкие элементы: полученные данные согласуются с
астрономическими наблюдениями.Знаем ли мы, что происходило до
этого, когда возраст Вселенной был меньше пары минут? Прямых
свидетельств у нас нет. Мы полагаем, что спустя миллионную долю
секунды после Большого взрыва кварки составляющие материи,
составляющие нейтронов и протонов свободно блуждали во Вселенной в
состоянии плазмы, но прямых доказательств этому нет. Мы полагаем,
что еще раньше, спустя триллионную долю секунды после Большого
взрыва, у частиц не было массы. Согласно нашей теории, массы
элементарным частицам дает поле Хиггса, но оно не должно было
существовать через триллионную долю секунды после Большого взрыва.
Было бы здорово получить прямые экспериментальные данные, но пока
что их у нас нет.Темная энергияЧто же мы имеем сейчас? Наша
Вселенная расширяется. Примерно двадцать лет назад нас совершенно
поразило одно открытие: раньше ученые считали, что расширение
Вселенной со временем должно замедляться точно так же, как если бы
вы подбросили в воздух камень и он начал бы замедляться под
воздействием гравитационного поля Земли. Но мы обнаружили
поразительную вещь: Вселенная расширяется не с замедлением, а с
ускорением. Какое-то время она расширялась с замедлением, но
недавно (недавно в масштабах Вселенной) она начала расширяться с
ускорением. С чем это связано? Мы называем причину этого ускорения
темной энергией.Темная энергия распределена по всему космосу. Она
не слипается в комки, как обычная материя или темная материя она
почти равномерно распределена по всему пространству. На самом деле
это не новая концепция: Эйнштейн предложил ее вскоре после того,
как сформулировал теорию относительности. Он заметил, что в его
уравнения можно добавить дополнительную переменную, которую стали
называть космологической постоянной. Темная энергия это современное
название по сути того же явления, дополнительной космологической
постоянной из уравнений Эйнштейна. Забавно, что Эйнштейн считал
космологическую постоянную своей крупнейшей ошибкой, хотя я бы
сказал, что это одна из самых глубоких его интуитивных догадок:
согласно общей теории относительности, в уравнениях должна быть
дополнительная переменная, которая, как мы сейчас знаем, заставляет
Вселенную расширяться с ускорением.Что же будет дальше? Если ничего
не изменится, по мере старения Вселенной материя все меньше и
меньше будет влиять на ее расширение: со временем темная энергия
возьмет верх, и скорость расширения Вселенной возрастет по
экспоненте. Какое будущее ждет астрономию и астрофизику? Весьма
темное: из-за экспоненциального расширения Вселенной вы сможете
увидеть только звезды и галактики, расположенные очень близко к
Земле, но не сможете увидеть остальную Вселенную. Так что мы живем
в особенное время в истории Вселенной, когда она начинает
расширяться с ускорением, но ускорение еще не взяло верх.Многие
задаются вопросом о том, почему мы живем в такое особенное время,
когда плотность темной энергии чуть выше, чем плотность обычной
материи и темной материи, но темная энергия еще не взяла верх. И
каково происхождение этой темной материи? Я упомянул поле Хиггса,
которое, как считается, дает массу частицам. Оно вносит свой вклад
в темную энергию, но этот вклад больше, чем наблюдаемые нами
параметры темной энергии. Думаю, самая большая загадка не почему
темная энергия есть, а почему ее так мало.
