Древние египтяне верили, что Вселенная начиналась в виде космического яйца, плавающего в Ниле. Некоторые полинезийцы верили, что Вселенная началась с космического кокосового ореха. Христиане верят, что Вселенная была приведена в движение, когда Бог сказал: «Да будет свет!» Происхождение Вселенной давно интересует и физиков, особенно после того, как Ньютон снабдил нас убедительной теорией всемирного тяготения. Но когда сам Ньютон попытался применить свою теорию ко Вселенной, которую мы видим вокруг, он столкнулся с проблемами. В 1692 г. он получил встревожившее его письмо от священника Ричарда Бентли. В этом письме Бентли просил Ньютона объяснить скрытый, но, возможно, разрушительный недостаток его теории. Если Вселенная конечна и если гравитация всегда притягивает, но никогда не отталкивает, то со временем все звезды во Вселенной притянутся друг к другу. Мало того, если времени будет достаточно, они все сольются в одну-единственную гигантскую звезду. Так что конечная Вселенная должна быть нестабильной и со временем схлопнуться. Поскольку этого не происходит, в теории Ньютона, должно быть, имеется ошибка. Далее он утверждал, что законы Ньютона предсказывают нестабильность Вселенной даже в том случае, если она бесконечна. В бесконечной Вселенной с бесконечным числом звезд сумма всех сил, действующих на звезду слева и справа, будет тоже бесконечна. Следовательно, эти бесконечные силы должны со временем разорвать звезды на части и в конечном итоге привести к их распаду.

Ньютона это письмо встревожило, потому что сам он не рассматривал возможности применения своей теории ко всей Вселенной. Позже Ньютон предложил интересный, но неполный ответ на этот вопрос. Да, признал он, если гравитация всегда притягивает и никогда не отталкивает, то звезды и сама Вселенная, возможно, нестабильны. Но в этих рассуждениях есть пробел. Предположим, что Вселенная в среднем совершенно однородна и бесконечна во всех направлениях. В такой статичной Вселенной все силы гравитации компенсируют друг друга, и она остается стабильной. Если взять любую звезду, то действующие на нее в разных направлениях силы притяжения всех отдаленных звезд в конечном итоге складываются в нуль, и потому Вселенная не схлопывается. Это, конечно, было остроумное решение проблемы, но Ньютон понимал, что и в нем есть потенциальная слабость. Вселенная может быть в среднем однородной, но она не может быть в точности одинаковой во всех точках, так что крохотные отклонения все же должны быть. Подобно карточному домику, она кажется стабильной, но даже крохотное нарушение вызовет мгновенный коллапс всей конструкции. Ньютон был достаточно умен и понимал, что однородная бесконечная Вселенная, хотя и стабильна, всегда балансирует на грани коллапса. Иными словами, взаимная компенсация бесконечных сил должна быть бесконечно точной, иначе Вселенная либо схлопнется, либо будет разорвана на части. В конечном итоге Ньютон пришел к выводу, что Вселенная бесконечна и в среднем однородна, но иногда Богу приходится слегка встряхивать звезды во Вселенной, чтобы они не схлопнулись под действием гравитации. Почему ночное небо черное? Но это вызывает новую проблему. Если считать, что Вселенная бесконечна и однородна, то, в какую бы точку пространства мы ни бросили взгляд, он рано или поздно наткнется на звезду. Но поскольку звезд во Вселенной бесконечное количество, то и света в наши глаза должно попадать бесконечно много со всех направлений. Ночное небо должно быть белым, а не черным. Эта загадка называется парадоксом Ольберса. За поиск ответа на этот каверзный вопрос брались величайшие умы в истории человечества. Кеплер, например, просто отбросил парадокс, заявив, что Вселенная конечна и, следовательно, никакого парадокса не существует. Другие ученые высказывали предположения о том, что звездный свет заслоняют от нас пылевые облака. (Но такое объяснение не годится, поскольку через бесконечное время пылевые облака разогреваются и начинают излучать как абсолютно черное тело, аналогично звезде. Так что Вселенная вновь становится белой.) Окончательный ответ дал Эдгар Аллан По в 1848 г. Как астроном-любитель, он был буквально заворожен парадоксом и сказал, что ночное небо черное, так как если двигаться назад во времени достаточно долго, то когда-нибудь мы достигнем отсечки, то есть начала существования Вселенной.

Иными словами, ночное небо черно потому, что возраст Вселенной конечен. Мы не получаем из бесконечно далекого прошлого света, который сделал бы ночное небо белым, потому что у Вселенной не было бесконечно далекого прошлого. Это означает, что телескопы, направленные на самые далекие звезды, со временем увидят черноту самого Большого взрыва. Остается лишь удивляться тому, как человек исключительно силой мысли, без каких бы то ни было экспериментов смог прийти к выводу, что Вселенная непременно должна иметь начало. Общая теория относительности и Вселенная Еще в 1920-е гг., когда он впервые начал применять свою теорию к самой Вселенной, астрономы говорили, что Вселенная статична, что она не расширяется и не сжимается. Но Эйнштейн нашел в своих уравнениях нечто озадачивающее. Попытки решить их показывали, что Вселенная динамична, что она либо расширяется, либо сжимается. 

Чтобы найти хоть какую-нибудь статичную вселенную, Эйнштейну пришлось ввести в уравнения поправочный коэффициент (получивший название космологической постоянной). Подобрав величину этого коэффициента вручную, он смог скомпенсировать расширение или сжатие Вселенной. Позднее, в 1929 г., астроном Эдвин Хаббл, воспользовавшись гигантским телескопом обсерватории Маунт-Вилсон в Калифорнии, сделал поразительное открытие. Оказалось, что Вселенная все же расширяется, как и предсказывали с самого начала уравнения Эйнштейна. Хаббл пришел к такому выводу, проанализировав доплеровское смещение света далеких галактик. (Когда звезда движется от нас, ее световые волны немного растягиваются, так что длина волны света чуть увеличивается, а весь спектр звезды слегка смещается в сторону красной области. Когда звезда движется к нам, ее световые волны сжимаются, так что длина волны света чуть уменьшается, а весь спектр звезды слегка голубеет. Тщательно проанализировав галактики, Хаббл обнаружил, что в среднем для их света характерно красное смещение, иначе говоря, они удаляются от нас. Таким образом, Вселенная расширяется.)

В 1931 г. Эйнштейн побывал в обсерватории Маунт-Вилсон и встретился с Хабблом. Когда Эйнштейну сказали, что в космологической постоянной нет необходимости и что Вселенная все-таки расширяется, он признал, что космологическая постоянная была его «величайшей ошибкой». (На самом деле, как мы увидим, не так давно космологическая постоянная вернулась, так что даже ошибки Эйнштейна открывают совершенно новые области для научных исследований.) Кроме того, полученный результат позволял сделать еще один шаг и рассчитать возраст Вселенной. Имея вычисленную Хабблом скорость убегания галактик, можно было «пустить запись» в обратную сторону и рассчитать, как долго уже продолжается это расширение. Первоначальный расчет показал, что возраст Вселенной равен 1,8 млрд лет (это создало неловкую ситуацию, поскольку уже было известно, что возраст Земли больше – ей 4,6 млрд лет. Последние данные с космического телескопа «Планк» дают нам возраст Вселенной, равный 13,8 млрд лет).                                        Квантовое послесвечение Большого взрыва Следующая революция в космологии произошла, когда физики начали применять квантовую теорию к Большому взрыву. Русский физик Георгий Гамов задался вопросом: если Вселенная начала свое существование в виде гигантского сверхгорячего взрыва, то не должна ли часть его тепла уцелеть до наших дней?

Если применить квантовую теорию к Большому взрыву, то получается, что первоначальный огненный шар должен был представлять собой квантовое абсолютно черное тело – идеальный излучатель. Поскольку свойства абсолютно черного тела хорошо известны, можно, по идее, рассчитать и излучение, которое представляет собой послесвечение, или эхо Большого взрыва. В 1948 г. Гамов и его коллеги Ральф Альфер и Роберт Херман вычислили, что температура остаточного излучения Большого взрыва сегодня должна быть примерно на пять градусов выше абсолютного нуля. (Реальная его температура составляет 2,73 K.) Такова температура Вселенной после миллиардов лет остывания. Это предсказание подтвердилось в 1964 г., когда Арно Пензиас и Роберт Вильсон при помощи гигантского радиотелескопа в Холмделе обнаружили в космическом пространстве это остаточное излучение.

(Сначала они решили, что фоновое излучение объясняется каким-то дефектом их аппаратуры. По легенде, они поняли свою ошибку, когда прочли лекцию в Принстоне и кто-то в аудитории сказал: «Либо вы регистрируете птичий помет на антенне, либо возникновение Вселенной». Для проверки им пришлось тщательно соскрести с антенны радиотелескопа весь голубиный помет.) Сегодня это микроволновое реликтовое излучение, пожалуй, самое убедительное и весомое свидетельство в пользу Большого взрыва. Как и предсказывалось, недавние спутниковые снимки фонового излучения показывают однородный огненный шар энергии, равномерно распределенный по Вселенной. (Когда вы слышите помехи в радиоприемнике, их источником в определенной мере является Большой взрыв.) Мало того, спутниковые фотографии сегодня настолько качественны, что на них можно обнаружить ничтожную рябь на фоновом излучении, обусловленную квантовым принципом неопределенности. В момент рождения Вселенной происходили, судя по всему, квантовые флуктуации, которые и вызвали эту рябь. Идеально гладкий Большой взрыв нарушил бы принцип неопределенности. Мелкая рябь со временем расширилась вместе с Большим взрывом и при этом породила все те галактики, которые мы видим. (Более того, если бы наши спутники не увидели бы на фоновом излучении этой квантовой ряби, ее отсутствие разрушило бы наши надежды применить квантовую теорию к Вселенной.) Это дает нам замечательную новую картину квантовой теории. Своим существованием в галактике Млечный Путь в окружении миллиардов других галактик мы обязаны крохотным квантовым флуктуациям во время Большого взрыва. Миллиарды лет назад все, что вы видите вокруг, было крохотной точкой в этом фоновом излучении. Следующий шаг вперед был сделан, когда удалось применить достижения квантовой теории и Стандартной модели к общей теории относительности.                                                                                                                                Инфляция Воодушевленные успехом Стандартной модели в 1970-е гг., физики Алан Гут и Андрей Линде задались вопросом: можно ли применить уроки, извлеченные из Стандартной модели и квантовой теории, к Большому взрыву?

Вопрос этот был новаторским, поскольку Стандартная модель в космологии в то время еще не применялась. Гут заметил, что два загадочных аспекта Вселенной невозможно объяснить Большим взрывом в том виде, каким его представляли до того момента. Во-первых, существует проблема кривизны пространства во Вселенной. Теория Эйнштейна гласит, что ткань пространства-времени должна обладать легкой кривизной. Но при анализе кривизны Вселенной кажется, что на самом деле она намного более плоская, чем предсказывает теория Эйнштейна. Больше того, создается впечатление, что наша Вселенная совершенно плоская с точностью до экспериментальной погрешности. Во-вторых, она намного более однородна, чем должна бы быть. В процессе Большого взрыва в первоначальном огненном шаре обязательно должны были присутствовать нерегулярности и отклонения от идеала. Однако Вселенная представляется вполне однородной, в каком бы направлении мы ни смотрели в небеса. Оба этих парадокса можно разрешить с привлечением квантовой теории и явления, которое Гут назвал инфляцией. Во-первых, согласно его идее, Вселенная пережила этап сверхскоростного расширения – намного более быстрого, чем то, что первоначально постулировалось для Большого взрыва. Это фантастическое расширение сделало Вселенную в основном плоской и устранило ту кривизну, которая имелась поначалу. Во-вторых, первоначальная Вселенная могла быть нерегулярной, но какая-то крохотная ее часть оставалась однородной, и именно она в процессе инфляции раздулась до громадных размеров. Это позволяло объяснить, почему Вселенная сегодня выглядит такой однородной: мы происходим из крохотного однородного кусочка более масштабного огненного шара, рожденного Большим взрывом. Инфляция влечет за собой далеко идущие последствия. Из нее следует, в частности, что видимая Вселенная вокруг нас представляет собой на самом деле крохотный, пренебрежимо малый кусочек гораздо более масштабной вселенной, которую мы, однако, никогда не увидим, поскольку она находится слишком далеко. Но что же вызвало инфляцию? Что запустило этот процесс? Почему вообще Вселенная стала расширяться? Пытаясь ответить на эти вопросы, Гут черпал вдохновение в Стандартной модели. В квантовой теории мы начинаем с симметрии, а затем нарушаем ее при помощи бозона Хиггса, чтобы получить ту Вселенную, которую видим вокруг. Используя аналогичный подход, Гут высказал предположение о существовании нового типа бозона Хиггса (так называемого инфлатона), который сделал возможной инфляцию. Как и в случае с настоящим бозоном Хиггса, Вселенная родилась в ложном вакууме, породившем эпоху стремительной инфляции. Но затем внутри инфляционного поля возникли квантовые пузыри. Внутри такого пузыря появился истинный вакуум, где инфляция прекратилась. Наша Вселенная родилась как один из этих пузырей. Внутри пузыря Вселенная замедлилась до современной скорости расширения. Пока инфляционная концепция соответствует астрономическим данным. На сегодня это ведущая теория. Но у нее имеются неожиданные следствия. Если мы привлекаем квантовую теорию, это означает, что Большой взрыв может происходить снова и снова. Новые вселенные могут постоянно рождаться из нашей Вселенной.

Это означает, что на самом деле наша Вселенная – всего лишь единственный пузырек в море пены, где каждый пузырек – вселенная. Иначе говоря, возникает мультивселенная, состоящая из множества параллельных вселенных. Вместе с тем по-прежнему остается открытым вопрос: что изначально двигало инфляцию? Чтобы объяснить это, как мы увидим в следующей главе, требуется еще более продвинутая теория – теория всего.                                                                                                                          Ускоряющаяся Вселенная Общая теория относительности дает нам не только беспрецедентную возможность заглянуть в самое начало Вселенной, но и описать ее окончательную судьбу. Разумеется, в древних религиях можно найти яркие образы конца времен. Древние викинги верили, что мир закончится Рагнарёком, или Сумерками богов, когда гигантская снежная буря охватит всю планету, а боги начнут последнюю битву со своими небесными врагами. Для христиан книга «Откровение» пророчит всевозможные катастрофы, катаклизмы и появление четырех всадников Апокалипсиса, предвещающих Второе пришествие.

 Но для физика традиционно существуют два пути, способных привести к концу всего мира. Если плотность Вселенной низка, то гравитации звезд и галактик не хватит, чтобы противостоять расширению пространства, Вселенная будет расширяться вечно и медленно придет к Большому замерзанию. Звезды исчерпают все ядерное топливо, небо почернеет, и даже черные дыры испарятся. Вселенная постепенно превратится в безжизненное, сверххолодное море дрейфующих элементарных частиц. Если плотность Вселенной достаточно велика, гравитации звезд и галактик, возможно, хватит, чтобы противостоять пространственному расширению. Тогда звезды и галактики со временем схлопнутся в Большом сжатии, при котором температура взлетит до небес и уничтожит всю жизнь во Вселенной. (Некоторые физики даже предполагают, что после этого Вселенная, возможно, вновь вспыхнет в Большом взрыве, и все начнется сначала – получится этакая циклическая вселенная.) Но в 1998 г. астрономы сделали поразительное заявление, перевернувшее многие из лелеемых нами преставлений и заставившее переписать учебники. Проанализировав далекие сверхновые по всей Вселенной, они обнаружили, что Вселенная не замедляется в своем расширении, как считалось ранее, а наоборот, ускоряется. Мало того, оказалось, что она входит в режим катастрофического разбегания. Астрономам пришлось пересмотреть два существовавших прежде сценария, и появилась новая теория. Возможно, Вселенная умрет в процессе так называемого Большого разрыва, при котором ее расширение ускорится до потрясающего уровня. Она будет расширяться так быстро, что ночное небо станет совершенно черным (поскольку свет от соседних звезд не сможет достичь нас) и температура всего приблизится к абсолютному нулю. При такой температуре жизнь существовать не может.

Движущей силой ускоряющегося расширения является, возможно, то, от чего уже однажды отказался Эйнштейн в 1920-е гг., – космологическая постоянная, энергия вакуума, которую теперь называют темной энергией. Удивительно, но количество темной энергии во Вселенной огромно. Более 68,3 % всей материи и энергии во Вселенной находится в этой загадочной форме. (Вместе темная энергия и темная материя составляют большую часть материи / энергии во Вселенной, но это две разные сущности и путать их друг с другом не следует.) По иронии судьбы, ни одна из известных теорий не позволяет объяснить все это. Если попытаться просто подсчитать количество темной энергии во Вселенной (опираясь на постулаты теории относительности и квантовой теории), мы получим величину, которая в 10120 раз превосходит реальную! (10120 – это единица со 120 нулями.) Это, безусловно, самое масштабное расхождение между теорией и экспериментом в истории науки. Да и ставки в этой игре такие, что больше не бывает: на кону конечная судьба самой Вселенной. Разобравшись в этой проблеме, мы узнаем, как умрет наша Вселенная.                                             "Уравнение Бога. В поисках теории всего" - Митио Каку