Эволюция теории большого взрыва

Дэнни Р. Фолкнер

В креационистских кругах часто можно услышать мнение, что в модели большого взрыва полно несоответствий, а сама теория находится в состоянии кризиса. Но как сказал Марк Твен, услышав известие о своей смерти, «эти слухи явно преувеличены». Однако вовсе не по тем причинам, о которых вы могли бы подумать.

Когда теория большого взрыва была предложена впервые, она была мало популярна, а прорыв в ее развитии приходится на 1964 год, когда астрономы открыли микроволновое фоновое излучение. Теория большого взрыва предсказывала наличие такого микроволнового излучения, тогда как конкурирующая модель, теория «стационарной Вселенной», его не предполагала. Считается, что это фоновое излучение осталось со времен нескольких сотен тысяч лет после большого взрыва, когда Вселенная была еще горячей.

Таким образом, теория большого взрыва стала среди космологов доминирующей теорией истории возникновения Вселенной. С тех пор возникали новые наблюдения и идеи, которые ставили под сомнение теорию большого взрыва. Но вместо того, чтобы отказаться от нее, космологи и астрономы на каждую новую проблему отвечали модификациями самой теории. И в результате теория большого взрыва преобразилась в нечто очень мало похожее на эту же теорию в ее первом изложении. Многие люди считают эти модификации усовершенствованиями, но на самом ли деле это так?

Проблема горизонта – является ли ответом инфляционная модель?

Вопреки мнению о том, что микроволновое фоновое излучение является доказательством теории большого взрыва, его открытие стало неиссякаемым источником проблем для традиционной космологии традиционной космологии. И одной из трудностей является проблема горизонта. Никто не предполагает, что Вселенная, зародившаяся от большого взрыва, везде имела одинаковую температуру. Если взглянуть на Вселенную в одном направлении, например, прямо на восток, вы получите излучение из отдаленного региона (назовем его регион А), и астрономы утверждают, что он достиг Земли только сейчас, спустя 13 миллиардов лет, составляющих предполагаемый возраст Вселенной. Если же взглянуть в противоположном направлении, например, прямо на запад, вы увидите излучение, исходящее из другого места (назовем его регионом В). Мы увидим, что излучение из точек А и В имеет практически одну и ту же температуру. Однако это не должно быть так, поскольку у этих двух регионов еще не было времени, чтобы обменяться энергией и сравнять температуру.

Между этими двумя точками не мог установиться «термальный контакт», поскольку они находятся на расстоянии в 26 миллиардов световых лет друг от друга. Так почему же они все-таки имеют одинаковую температуру? Этот вопрос возникает всякий раз, независимо от направления, в котором мы посмотрим.

Примерно тридцать лет назад космологи попытались решить эту проблему с помощью инфляционной модели. Инфляция в космологии – это гипотетическое гипер-расширение (намного более интенсивное по сравнению со скоростью света), имевшее место в ранние периоды истории Вселенной.1 Это значит, что Вселенная до инфляции должна была иметь невероятно малые размеры, и вся Вселенная могла находится в термальном контакте сама с собой. Это могло бы объяснить, почему в ранней Вселенной установилась однородная температура.

Проблема плоскости – является ли ответом инфляционная модель?

Инфляционная модель была придумана также и для того, чтобы объяснить еще одну трудность – проблему плоскости. По мере расширения Вселенной соотношение гравитационной потенциальной энергии и кинетической энергии (которая обозначается греческой буквой омега) изменяется. После миллиардов лет расширения это соотношение должно либо равняться нулю, либо составлять огромное число. Однако измерения показывают, что данное соотношение составляет не многим менее 1. В космологии большого взрыва это предполагает, что значение омеги изначально составляло почти точно 1, в отличие от бесконечного множества других возможностей. Из-за этого Вселенная кажется весьма маловероятной.

Итак, инфляционная модель – это их спасательный круг. Если предположить, что инфляция произошла на ранней стадии существования Вселенной, ее значение должно было повыситься практически до 1, где это было необходимо, и с этой точки оно могло уменьшиться лишь незначительно, даже через миллиарды лет. Не существует независимых доказательств тому, что инфляция на самом деле существует – не считая того факта, что ученым просто необходимо, чтобы она имела место. Однако астрономы практически во всем мире считают, что это действительно было так, ведь иначе у них не будет никакого другого способа разрешить проблему горизонта и плоскости.

Проблема однородности – решает ли ее пересмотр теории большого взрыва?

Еще одна проблема, связанная с фоновым излучением, заключается в том, что оно имеет практически идеально однородную структуру. Сегодня мы наблюдаем во Вселенной иерархическую структуру, в которой материя собралась в звезды, которые, в свою очередь, организовались в галактики и в скопления галактик. Одним словом, Вселенная состоит из глыб, но никак не однородна.

Чтобы объяснить эту комковатую структуру, космологам понадобилось, чтобы материя в ранней Вселенной не была идеально однородной (гомогенной), но чтобы в ней были участки несколько большей плотности (негомогенная Вселенная). Эти более плотные участки выступили в роли гравитационных зерен, притягивавших к себе окружающие материалы, в результате чего появилась структура, которую мы наблюдаем сегодня.

Как бы ни прискорбно это было для данной теории, эти неоднородности должны были быть строго определенных размеров, не слишком малы и не слишком велики. Если бы ранняя Вселенная была слишком однородна, структур, которые мы наблюдаем сегодня, не было бы (как не было бы и нас). Однако если бы неоднородность была слишком ощутима, практически вся материя преобразовалась бы в массивные черные дыры, и, снова же, структур, которые мы наблюдаем сегодня, не было бы (как не было бы и нас). Такие жесткие рамки неоднородности структуры требуются только для Вселенной, появившейся в результате большого взрыва миллиарды лет назад, но не для Вселенной, сотворенной за шесть обычных дней, как это описано в 1 главе книги Бытия.

Такие необходимые неоднородности также оставили бы свой отпечаток на фоновом космическом излучении, так же как и разницы в температуре. Космологи выразили предположение, какого рода разницы в температурах это должны были быть: 1/10 000. Более двух десятилетий назад эти ученые запустили спутник COBE (Cosmic Background Explorer), чтобы измерить эти разницы в температуре, но в результате обнаружили идеально однородное фоновое излучение.

И только после тщательных манипуляций с данными ученые нашли доказательства разниц температур фонового излучения, однако намного меньшего порядка, чем предполагалось, и эти разницы, как оказалось, находятся за пределами возможностей определения спутником (1/ 100 000). Эти данные были подтверждены более тщательными исследованиями, проведенными в ходе миссии космического аппарата WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), запущенного десять лет назад, а также данными миссии космической обсерватории Планк, запущенной в космос в этом году.

Однако многие ученые и сегодня заявляют, что предположения теории отлично подтверждаются полученными данными. Как они могут это утверждать? После того, как теории не удалось предсказать данные с достаточной точностью, космологи изменили детали самой теории таким образом, чтобы они соответствовали полученным данным.

Нужна бо´льшая скорость расширения? Значит нужно пересмотреть старые данные!

Еще одна проблема возникла два десятилетия назад, когда астрономы решили, что новые данные наблюдений требуют повышения скорости экспансии Вселенной. Бо´льшая скорость экспансии будет означать более молодой возраст Вселенной. Примерно с 1960-х годов астрономы считали, что возраст Вселенной насчитывает 16–18 миллиардов лет, однако теперь они считают, что он составляет 13.8 миллиардов лет. Это было огромной проблемой, поскольку многие годы астрономы считали, что возраст шаровых звездных скоплений насчитывает 15 миллиардов лет, т.е. на миллиард лет старше, чем сама Вселенная.

В конце концов, астрономы решили эту проблему, переоценив расстояния шаровых звездных скоплений. И эти новые оценки расстояний привели к более точным оценкам яркости, что, в свою очередь, повлияло на светские оценки возраста Вселенной.

Космологическая постоянная – ошибка или реальность?

Почти сто лет назад Альберт Эйнштейн составил модель Вселенной, основанную на общей теории относительности, однако в ней была одна серьезная проблема. Она не создавала нерасширяющуюся и статичную Вселенную, как он ожидал. Не имея определенной силы для нейтрализации воздействия гравитации, вселенная должна была разрушиться сама по себе.

Поэтому Эйнштейн вставил в свою модель понятие «космологическая постоянная», чтобы она соответствовала его идее о том, как должна функционировать Вселенная. По сути, космологическая постоянная – это отталкивание пространства внутри самого себя. Избрав подходящую величину для космологической постоянной, Эйнштейн решил, что отталкивающая сила космоса должна полностью сбалансировать притягивающую силу гравитации, что должно привести к статичному состоянию Вселенной.

Когда новые факты указали на то, что, возможно, Вселенная вовсе и не статична, он тут же отказался от космологической постоянной, назвав ее величайшей из допущенных им ошибок. Это проложило путь теории большого взрыва, которая, в общем смысле, не принимала во внимание этот эффект.

Однако Эйнтшейн был слишком суров к себе. В 1998 и 1999 годах астрономы получили данные, указывающие, по их мнению, на нечто, заставляющее скорость расширения Вселенной увеличиваться. Яркость суперновы типа Ia на экстремально далеком расстоянии не соответствует яркости, которую следовало бы ожидать на таком расстоянии. А это предполагает наличие постоянной скорости расширения. Для объяснения этого странного явления была придумана темная энергия. Темная энергия несколько отличается от космологической постоянной, поскольку сила отталкивания со временем изменяется, тогда как космологическая постоянная не меняется. Нам до сих пор не известно, какое из этих понятий правильно, или же существует совершенно иное объяснение неожиданного соотношения светосилы и красного свечения отдаленной суперновы типа Ia. Поэтому теории большого взрыва пришлось адаптироваться к еще одному открытию. Кто знает, что будет дальше?

На самом деле, с 1930 годов появляется все больше доказательств того, что большую часть Вселенной составляет темная материя. То есть, большая часть массы Вселенной не излучает света или какого-либо другого поддающегося обнаружению излучения. А это предполагает существование некой формы материи, которая нам пока что не известна. Прошло много лет, прежде чем космологи восприняли это всерьез, и лишь с недавних пор астрономы стали включать темную материю в свои теории, в том числе и в теорию большого взрыва.

Новейшая теория струн

И, наконец, теория струн – новая идея, придуманная физиками-теоретиками (а в частности физиками элементарных частиц) для того, чтобы объяснить все остальные тайны функционирования материи. Определенные характеристики элементарных частиц проще всего объяснить, если бы во Вселенной было как минимум шесть дополнительных пространственных измерений - измерений, которые мы обычно не способны увидеть. Доказательств этому нет, поэтому будет лучше назвать это гипотезой струн, а не теорией струн.

Если эта гипотеза верна, значит, ученым следует включить ее в свои трактовки теории большого взрыва. Поэтому в последние годы космологи начали включать в свои модели теорию струн.

Будет весьма поучительно сравнить современную модель большого взрыва с этой же теорией тридцатилетней давности. В те времена средняя скорость расширения, а значит, и предполагаемый возраст Вселенной намного отличались от сегодняшних. Раньше в модели не присутствовала инфляция, а сегодня мы уже и не подумали бы о том, что ее можно не учесть. То же самое касается и темной материи, темной энергии и теории струн. Вкратце говоря, в современной теории большого взрыва не осталось практически ничего общего с этой же теорией тридцать лет назад.

Какой же будет теория большого взрыва через тридцать лет? Если история учит нас чему-то, то наверняка можно сказать две вещи. Первое, эта модель через тридцать лет будет очень сильно отличатся от сегодняшней. Второе, ученые в будущем, точно так же, как в прошлом и в настоящем, будут испытывать полную уверенность в том, что эта модель правильна, даже если все три варианта будут противоречить друг другу.

Многие ученые на сегодняшний день считают, что теория большого взрыва очень успешна в том, что она способна объяснить любые новые наблюдения и возникающие проблемы. Однако это делается с помощью бесконечных добавлений, которые становятся спасательным кругом. Но если научную теорию можно свободно исправлять, чтобы подстроить под возникающие проблемы, то как вообще можно доказать, что какая-либо теория несостоятельна? Для науки очень важно, чтобы можно было доказать несостоятельность любой идеи, по крайней мере, гипотетически. Теория, способная объяснить все и вся, сколько бы это не вызывало противоречий, на самом деле не является научной.

Еще один эпицикл?

Жизненный цикл теории большого взрыва любопытным образом перекликается с еще одной, более старой и знаменитой теорией. Во втором столетии Клавдий Птолемей предложил космологическую теорию, призванную объяснять сложные перемещения Солнца, Луны и планет. Модель Птолемея состояла из серии окружностей, называемых эпициклами. Птолемей считал, что если правильно подобрать размеры кругов и скорости движения, у него получится подстроить модель под имеющиеся данные.

Эта теория считалась очень успешной, и повсеместно считалась правильной на протяжении 15 столетий. С точки зрения продолжительности жизни, ни одна другая теория в истории науки даже не приблизилась к этому рекорду. На протяжении всех этих столетий возникали некоторые несоответствия между теорией и наблюдениями, однако оказывалось, что можно устранить эти проблемы, подправив теорию с помощью добавления большего количества эпициклов. К окончанию эпохи средневековья в некоторых версиях моделей Птолемея насчитывалось сто или более дополнительных эпициклов.

Хотя именно эти бесконечные модификации и были причиной успеха теории Птолемея, в конце концов, они сослужил дурную службу и теорию стали повсеместно отвергать, как слишком сложную и нескладную. Постоянные модификации моделей теории большого взрыва начинают напоминать этот эпицикл. Долго ли она еще протянет?

Доктор Дэнни Фолкнер стал одним из сотрудников организации «Ответы в книге Бытия» после того, как 26 лет проработал процессором физики и астрономии государственного университета штата Южная Калифорния, Ланкастер. Он является автором многих статей в астрономических журналах, а также автором книги «Вселенная по замыслу».