Эта статья — вторая в серии, основанной на моём курсе «Территория Большого взрыва» для летней школы Химера. В первой части было описано современное состояние Вселенной, её размеры, форма и состав, и сформулированы проблемы её возникновения и тонкой настройки. Там же можно найти общее введение к серии.

А в этой статье я предлагаю рассмотреть эволюцию взглядов человечества на устройство Вселенной и предпосылки для появления теории Большого взрыва, обсудить саму теорию в её классическом виде, и сразу же обозначить её основные проблемы и противоречия.

Как и в первой части, в этой статье я привожу многочисленные ссылки на статьи русскоязычной Википедии.

Три кита и небесные сферы

Земля, очевидно, плоская. В буквальном смысле слова «очевидно» — кривизна поверхности Земли незаметна при непосредственном наблюдении невооружённым глазом с этой самой поверхности.
Сейчас невозможно определить период, когда люди вообще начали задумываться о форме Земли, но я уверен, что многие тысячелетия назад. Но без дополнительной информации не было никаких оснований предполагать какую‑то иную форму, поэтому в глазах людей Земля долгое время была плоской.

Идея шарообразной Земли возникла и укрепилась в античной греческой философии примерно с VI по III в до н.э. К этой мысли, скорее всего, привело сокрытие звёзд за линией горизонта при наблюдении их из разных точек Земли. Я считаю, что именно в этот период космология начала своё превращение из мифологии в науку.

Достижения античной философии сложно переоценить, но ни астрономия, ни, следовательно, космология не могли заметно продвинуться без инструментов наблюдения за космосом. Было в целом понятно, что в небе есть какие‑то объекты, но подробно их разглядеть было невозможно, так что об их природе оставалось только гадать. Идеи о существовании иных миров уже начали возникать, но одно было совершенно ясно: Земля находится в центре мироздания. На Википедии есть очень подробная статья об античной астрономии в Древней Греции, по объёму она превышает эту.

Из тьмы европейского Средневековья на небо было смотреть некогда и незачем: войны, болезни, преследования инакомыслия. Картина устройства Вселенной была стабильной, другие миры сгинули, так как противоречили догматам господствовавших религий. В Арабском Халифате дела обстояли лучше, но и там значительного прогресса не было.

Поворотный этап в развитии космических наук можно указать довольно точно: XVI — XVII века, расцвет Возрождения. В этот период пересеклись жизни множества людей, оказавших сильнейшее влияние на развитие астрономии и космологии. Николай Коперник, Джордано Бруно, Тихо Браге, Галилео Галилей, Иоганн Кеплер — они выдвигали всё более смелые гипотезы, проводили всё больше наблюдений. К развитию астрономических теорий подоспели и инженерные науки, давшие в руки астрономов их основной инструмент: линзы. За последующие 300 лет объём и качество наблюдений космических объектов неизмеримо выросло.

Земля стремительно теряла своё центральное положение во Вселенной. Её место заняло Солнце, но и оно продержалось недолго. К началу XX века и Земля, и Солнце уже расценивались как весьма заурядные — и небольшие! — объекты в огромном космосе.

А в начале 20х годов XX века состоялся «Большой спор», в результате которого было окончательно установлено, что Млечный Путь — это не вся Вселенная, а лишь одна из многих и многих галактик в ней.

Всё это время Вселенная представлялась статичной, неизменной во времени. Но в первой четверти XX века появились первые чёткие предпосылки возникновения Теории Большого Взрыва — концепции Вселенной, у которой было начало.

P.S. Вычитывая этот раздел, я заметил, что ни три кита, ни небесные сферы из заголовка в самом разделе не встречаются. Думал было переименовать раздел, но потом решил, что в этом что‑то есть. А китов и сфер нет.

Где у Вселенной начало

Идея, что Вселенная существует не вечно, а когда-то возникла, совершенно не нова. Во всех известных мне религиях постулированы разнообразные варианты этого события.
Но в научном познании для концепции возникновения Вселенной долго время не было никаких предпосылок, она возникла и укрепилась относительно недавно, около 100 лет назад, и к этому почти одновременно привели сразу три пути. Эти пути многократно пересекались, сливались и всячески влияли друг на друга, поэтому их разделение — это, конечно, условность, но давайте всё же попробуем рассмотреть их по отдельности в хронологическом порядке.

ОТО и космологические модели

Первое из этих событий — публикация Альбертом Эйнштейном Общей теории относительности (ОТО) в 1916 году. Эта работа, без сомнений, оказала колоссальное влияние на всю физику в целом, но на её основе сам Эйнштейн построил и новую космологическую модель стационарной Вселенной — статичной, неизменной во времени, без начала и конца. При этом он был настолько уверен в свих взглядах, что посчитал ошибкой прямо вытекавшую из уравнений ОТО нестационарность Вселенной, её изменчивость во времени. Для исправления модели Эйнштейн ввёл дополнительный коэффициент — космологическую постоянную. Более того, сторонники стационарной теории придерживались взглядов, что даже если Вселенная и расширяется, то в ней постоянно порождается новая материя, что делает её однородной во времени (собственно, стационарной).

Но в 1922 году Александр Фридман представил нестационарное решение уравнений Эйнштейна и вместе с ним три модели расширяющейся Вселенной, по одной для каждой возможной кривизны пространства (кривизну Вселенной мы уже обсуждали в предыдущей статье). Эйнштейн поначалу называл эти решения ошибочными, но в конце‑концов признал их, назвав космологическую постоянную «своей величайшей ошибкой». На Хабре есть хорошая статья, в которой более подробно рассказана эта история.

Это довольно известный научный мем, но ирония в том, что спустя несколько десятков лет «ошибка» оказалась вовсе не ошибкой, а объективно наблюдаемым космологическим явлением. К этому факту мы ещё вернёмся. А пока займёмся двумя основными вопросами, ответы на которые искали космологи в 20-е годы XX века — величайшем периоде научного прогресса человечества. Вот они:

1. Можно ли эмпирически наблюдать расширение Вселенной?

2. Если Вселенная расширяется, значит, у неё было начало?

Красное смещение и разбегание галактик

Ответ на первый вопрос нашёлся довольно быстро. Уже к 1922 году наблюдения показали, что спектры излучения практически всех известных внегалактических объектов смещены в красную область, причём, чем дальше объект, тем он краснее. Объяснение тоже нашлось быстро: эффект Доплера. Если объект удаляется от наблюдателя, наблюдаемый спектр его излучения смещается в более длинноволновую, «красную» область. Ровно по этой же причине, например, становится ниже звук от удаляющейся от нас машины.
Наблюдения, таким образом, показали, что все эти объекты удаляются от нашей Галактики с большими скоростями.

И к 1929 году Эдвин Хаббл, обобщив работы Весто Слайфера и других учёных, опубликовал одну из самых известных работ в истории космологии, из которой следовало, что гипотеза о расширении Вселенной перестала быть гипотезой: Вселенная действительно расширяется. Причём, оказалось, что чем дальше объект — тем быстрее он «улетает».

Если экстраполировать расширение Вселенной в прошлое, мы рано или поздно упрёмся в некую начальную точку во времени, когда это расширение началось: космологическую сингулярность — объект с бесконечно высокой плотностью энергии (можно с некоторым приближением считать это бесконечно высокой температурой) и кривизной пространства.
Такие объекты физика описывать не умеет. Этот факт мы отложим, туда же, куда ранее отложили космологическую постоянную.

Где у Вселенной середина?

Давайте ненадолго остановимся на вопросе, понимание которого стабильно вызывает трудности у слушателей курса, и с ним же связано название курса: «Территория Большого Взрыва».
Обычно я задаю аудитории вопрос:

Если Большой взрыв был — то где, собственно, он произошёл? Если всё разлетается во все стороны от нашей Галактики, значит, она находится в самом центре Вселенной, и Большой взрыв был именно тут, у нас? Как так вышло?

Этот вопрос часто вызывает замешательство, потому что на первый взгляд может показаться, что всё так и есть. Но, конечно же, наша Галактика самая обычная и уж точно не находится в центре Вселенной и Большой взрыв в ней, конечно же, не происходил. Так где же он был? Где центр Вселенной?

Для этого давайте разберёмся, какую форму имеет Вселенная. Мы уже обсуждали её кривизну в прошлой статье, и там я сделал безапелляционное утверждение, что Вселенная плоская (правда, заранее оговорился, что почти). И вот теперь это самое почти и выходит на первый план. Наблюдаемая Вселенная действительно неотличима от плоской при непосредственном наблюдении, однако уточнённые измерения флуктуаций реликтового излучения (о котором мы поговорим подробнее чуть позже) показали, что у Вселенной есть незначительная положительная кривизна. И в этом случае Вселенная скорее всего имеет форму трёхмерной сферы (3-сферы). Тут очень важно понимать, что это не знакомая нам всем сфера, которую проходят в курсе стереометрии в старших классах школы. У этой на одно измерение больше, трёхмерна не она сама, а её поверхность! И в этой самой поверхности и находится наша Вселенная.

Этот объект сложновато себе представить, так что, как и в прошлый раз, рассмотрим объект с меньшим числом измерений — как раз-таки обычную сферу (2-сферу). Или даже что-то менее абстрактное: для наших целей неплохой моделью расширяющейся Вселенной будет обычный воздушный шарик с нарисованными на его поверхности галактиками (ну или просто точками). Если этот шарик начать надувать (расширять Вселенную), то будет очевидно, что любые две точки на его поверхности удаляются друг от друга.
А значит, с точки зрения любой точки все остальные точки удаляются от неё. И чем точки дальше друг от друга — тем быстрее удаляются. Точка.

Получается, что никакого центра у Вселенной нет — как нет его и у поверхности 2-сферы. А Большой взрыв был везде. Вся наша Вселенная и есть область, где он произошёл! Именно поэтому я назвал курс «Территория Большого взрыва».

Надо отметить, что аналогичное рассуждение справедливо и для совсем плоской Вселенной, без всяких почти. Но с наглядным моделированием бесконечной плоскости возникают некоторые сложности.

Более подробно про современные исследования кривизны и формы Вселенной можно прочитать в отличной статье авторства @OlegSivchenko

Реликтовое излучение

Ответ на второй вопрос нашёлся не так быстро.

В 1948 году Георгий Гамов с коллегами выдвинули гипотезу о существовании реликтового фонового излучения — своего рода «фотографии» Вселенной вскоре после Большого взрыва.

Если Вселенная возникла из сингулярности (какой бы странной и неописуемой она бы ни была), то некоторое время после возникновения она была настолько плотной и горячей, что всё её наполнение в первом приближении представляло собой электромагнитное излучение с очень высокой энергией.

И так как Вселенная, согласно теории, сразу же начала расширяться, Гамов предположил, что это расширение должно было со временем привести к двум следствиям:

1. Плотность энергии должна была снизиться, из-за чего горячий «энергетический суп» остыл до состояния, чтобы некоторая часть его фотонов перестала постоянно в нём поглощаться, и сохранилась до наших дней

2. Эти самые сохранившиеся фотоны, которые одновременно являются электромагнитными волнами, должны были «растянуться», их длина должна была стать больше, а частота — то есть, энергия — меньше

Гамов оценил эффективную температуру этого древнего излучения, к нашему времени оно должно было остыть примерно до 3К (градуса Кельвина, хотя использование слова «градус» рядом со словом «Кельвин» в научной среде считается плохим тоном).
Но на тот момент это была чистая теория, никаких экспериментальных свидетельств существования реликтового излучения Гамов в то время не нашёл.

***

А чуть больше, чем через 15 лет, в 1964 году, произошло событие, не менее известное в истории космологии, чем работа Хаббла о красном смещении: при настройке новейшей антенны для астрономических исследований инженеры компании Bell Telephone Laboratories Арно Пензиас и Роберт Вильсон обнаружили, что весь космос равномерно излучает как абсолютно чёрное тело с температурой 2,7К. Так и было эмпирически обнаружено теоретически предсказанное Гамовым реликтовое излучение. Оно же — микроволновое фоновое излучение или МВФ.

Интересно, что первые сообщения о космическом излучении неизвестной природы появились почти за 20 лет до этого, но объяснение им нашлось только теперь.

Это открытие стало неоспоримым финальным доказательством истинности теории Большого взрыва. Когда-то давно Вселенная действительно была настолько плотной и горячей, что излучение того периода мы можем непосредственно наблюдать буквально везде. А это означает, что Большой взрыв был!

^{Далее по тексту я буду иногда сокращать «теорию Большого взрыва» до «ТБВ».}

Большой взрыв во всей красе

Теория Большого взрыва (ТБВ) — это не только известный сериал, но и яркий пример качественной теории, убедительно подтверждённой наблюдениями. А её название — это ещё один научный мем. В 1948 году Фред Хойл, сторонник идеи Эйнштейна о вечно расширяющейся стационарной Вселенной, саркастически назвал момент возникновения Вселенной из сингулярности «Большим Взрывом» (Big Bang), стараясь продемонстрировать его смехотворность. Однако термин оказался очень удачным и стал общеупотребительным.

Это был период эйфории. Окончательная теория возникновения и развития Вселенной была надёжно доказана эмпирически! Всё выглядело довольно просто и стройно:

1. В какой-то момент возникла изначальная сингулярность

2. Она сразу же начала расширяться (и охлаждаться — в полном соответствии с законами термодинамики)

3. ???

4. Profit. Вселенная здесь и сейчас, и в ней присутствуют однозначные свидетельства первых двух пунктов

Но, как это обычно бывает, всё оказалось совсем не так просто.

Одни проблемы от этого взрыва

Но какой бы блестящей ни была ТБВ, у неё всё же есть слабые места, и довольно критичные. Самые большие вопросы вызывает та самая сингулярность, с которой всё началось.

Во-первых, физика не умеет описывать пространства бесконечной кривизны и энергии бесконечной плотности. В целом, если при решении уравнения физик получает бесконечность — это явный признак больших проблем. Именно это произошло незадолго до появления ТБВ при вычислении полной энергии излучения абсолютно чёрного тела — так называемая ультрафиолетовая катастрофа.

В результате появился целый новый раздел физики — квантовая механика. Но это уже совсем другая история.

Во-вторых, совершенно непонятно, откуда эта самая изначальная сингулярность появилась. Закон сохранения энергии считается основополагающим принципом для Вселенной, нет никаких оснований считать, что Большой взрыв ему не подчиняется. И тогда возникает вопрос: а откуда, собственно, взялась та неимоверная энергия, которая сейчас содержится в нашей немаленькой Вселенной, если «до» Большого взрыва ничего не было, даже времени.

Но на одной сингулярности проблемы не закончились, хотя остальные уже не так очевидны. Как мы уже выяснили, согласно наблюдениям Вселенная имеет почти в точности нулевую кривизну. Этот факт противоречит ТБВ, так как при наблюдаемой скорости расширения пространства оно никак не могло успеть разгладиться с бесконечной кривизны до почти почти нулевой.

Аналогично обстоят дела и с однородностью микроволнового фона. Он слишком однородный! При равномерном расширении пространства из бесконечно малого размера возникает проблема горизонта — появляются области пространства, которые, грубо говоря, удаляются друг от друга быстрее скорости света, что исключает возможность выравнивания уровня энергии излучения между ними. Когда я говорю «удаляются быстрее скорости света», слушатели обычно сразу реагируют весьма скептически. Кто-то даже уличает меня в антинаучности!

Но никакой ошибки здесь нет — расширение пространства не является движением чего‑либо материального, поэтому ничто не мешает достаточно далёким друг от друга точкам пространства удаляться друг от друга с любой «скоростью» (вспомним о наблюдаемой Вселенной)

Но и на этом вопросы к ТБВ не заканчиваются. Научный метод основывается на воспроизводимости, на неизменности результата при идентичных начальных условиях. С этой точки зрения Большой взрыв выглядит подозрительно. Это уникальное, единственное в своём роде событие, в результате которого возникла единственная известная нам Вселенная с набором параметров, значения которых, как мы помним из первой статьи, считаются случайными. Но так как Вселенная у нас ровно одна — их случайность невозможно проверить никаким образом.

Все эти вопросы хорошо дополняет тот факт, что научно доказанное возникновение Вселенной буквально из ничего было довольно быстро официально одобрено церковью (христианскими конфессиями и не только). Причина довольно прозрачна: это событие по своей сути очень похоже на акт творения.

Этим неоднозначным заявлением я и завершу эту статью. До встречи в третьей части!