Знание-сила, 2003 №10 (916)

Разумеется, все эти выводы (как, кстати, и заключение о возрасте Вселенной) не были просто «прочитаны» по карте Уилкинсона. Исследователи с помощью компьютеров построили десятки тысяч (!) моделей рождения и развития Вселенной, последовательно сверяя предсказания каждой такой модели с данными наблюдений, сведенных в карту МАП. Поэтому за их выводами стоит такой массив доказательств, который так же трудно поколебать, как, например, данные по недавней расшифровке генома человека. В сущности, это близкие по своему значению для науки результаты — как расшифровка человеческого генома подводит фундаментальную базу под все дальнейшее изучение биологии человека, его поведения и болезней, так карта Уилкинсона подводит такую же фундаментальную базу под дальнейшее изучение Вселенной, в которой мы живем.

Хватит ли нам загадок?

Космологи еще празднуют недавний успех, а уже слышатся голоса скептиков: не станут ли они жертвами собственного триумфа?

Триумф состоит в том, что первые данные, полученные космическим зондом Уилкинсона, убедительно подтвердили общую справедливость той картины «инфляционной Вселенной», которую космологи выстраивали теоретически в течение последней четверти века. Зонд Уилкинсона дал в руки космологов большинство недостающих деталей. В результате по его данным удалось рассчитать основные параметры нашей Вселенной. Они в основном совпали с теоретическими предположениями и позволили уточнить многие из них.

Таким образом, космология сделала огромный шаг вперед. Откуда же пессимистические предчувствия? Дело в том, что хотя в полученной теперь космологической картине есть еще много лакун, но почти все они относятся уже к ведомству физики, астрономии и астрофизики. Поэтому кое- кому представляется, что с точки зрения собственно космологии все загадки вроде бы решены, получившаяся картина охватывает всю историю Вселенной от ее рождения до смерти и потому космологии как науке вроде бы пришел конец.

Как уже не раз бывало в науке, этот скептицизм оказался весьма преждевременным. Серьезные комментаторы уже отметили, что и после зонда Уилкинсона у космологии остается огромное поле работы. Более того, некоторые результаты, полученные при анализе первых данных этого зонда, ставят перед наукой новые, неожиданные вопросы и уже подсказывают новые направления исследований.

Так, ведущие американские космологи Штейнхардг, Острайкер и другие в своем комментарии к «Карте Уилкинсона» обращают внимание на два загадочных обстоятельства. Во- первых, на этой карте (напомним, что она изображает распределение температуры остаточного космического излучения во всем пространстве Вселенной) как будто бы проглядывает неодинаковость излучения, приходящего с разных направлений Вселенной; во-вторых — предварительный анализ данных этой карты как будто бы позволяет сделать определенный вывод о характере таинственного поля «темной энергии». Попробуем пояснить оба эти замечания.

Первое из них сводится в конечном счете к тому, что в одном определенном направлении Вселенной спектр волн, рассеянных на первичных флуктуациях плотности, не таков, как в других направлениях. Грубо говоря, он содержит волны не всех возможных длин, как это должно было быть в бесконечном пространстве, а обрывается на некоторой максимальной длине. Наглядной иллюстрацией сказанного была бы колеблющаяся струна конечной длины. На испускающей звуковые волны струне могут, как известно, укладываться лишь такие волны, длина которых (расстояние между двумя последовательными гребнями или впадинами) точно равна длине самой струны или точно вдвое меньше той длины, или вчетверо меньше и так далее. Волны, длины которых больше, чем длина струны, попросту на ней не уместятся, и в спектре звуков, испускаемых этой струной, таких волн не окажется.

Эта особенность «Карты Уилкинсона», подмеченная Штейнхардтом и Острайкером, бросилась в глаза и некоторым другим космологам, и трое из них, Макс Тегмарк, Анвилика де Оливьера-Коста и Эндрью Гамильтон из США, выступили в конце февраля нынешнего года в Интернете со статьей, в которой уже попытались дать объяснение загадки. «Если эта неодинаковость остаточного излучения, приходящего с разных сторон, — пишут они, — не является следствием некой статистической ошибки или результатом наложения радиошумов, то она может быть вызвана тем, что в том направлении, где наблюдаются волны лишь до определенной максимальной длины, наша Вселенная имеет конечные размеры, как имеет их описанная выше колеблющаяся струна».

Можно ли наглядно представить себе эту картину? Можно — утверждают авторы, если допустить, что трехмерное пространство нашей Вселенной «свернуто» наподобие бесконечно длинного цилиндра или в виде «тора», то есть цилиндра, свернутого и соединенного концами (проще говоря — в виде бублика). Разумеется, такое свертывание трехмерного объема до конечных размеров в одном направлении может произойти только в «пространстве» четырех или более измерений (точно так же плоский, двумерный лист бумаги можно свернуть в цилиндр лишь в третьем измерении). Надо заметить, что подобная гипотеза — правда, чисто умозрительно, без привязки к каким бы то ни было экспериментальным данным — уже выдвигалась в 1984 году в России Я. Зельдовичем и А. Старобинеким, а позднее — американскими математиками Сэрстоном и Уиксом. Но теперь такая модель впервые выдвигается на серьезное обсуждение как возможное объяснение наблюдательных результатов. Понятно, что это открывает совершенно новые горизонты в космологии, понуждая к детальному теоретическому исследованию последствий такого предположения и возможности его экспериментальной проверки.

Одна такая возможность, как указывают Тегмарк и его коллеги, напрашивается сразу. Вселенная, имеющая форму четырехмерного цилиндра или тора, должна быть бесконечной при движении вдоль «бублика» и конечной — при движении поперек него. Поэтому свет, распространяюшийся вдоль оси такой Вселенной, должен периодически возвращаться к источнику, иными словами — астрономы должны видеть одни и те же космические объекты по много раз, как будто находятся в зале со стоящими друг против друга зеркалами. Наличие такого эффекта поддается экспериментальной проверке, и в печати уже появились первые предложения, как это сделать.

От «Большого Шепота» — до «Большого Разрыва»

Вторая загадка «Карты Уилкинсона» связана с вопросом о природе так называемой темной энергии. Это понятие появилось в нынешней космологии в результате последовательного развития идей А. Эйнштейна. Сразу же по завершении своей теории тяготения в 1916 году Эйнштейн попытался применить ее выводы к Вселенной как целому. Оказалось, что уравнения его теории допускают простое и изящное решение в виде статичной и однородной сферической Вселенной, но лишь в том случае, если «насильственно» дополнить их неким постоянным членом, некой «космологической постоянной», которую он обозначил греческой буквой «ламбда».

Физический смысл этой постоянной был очевиден сразу. Поскольку взаимное притяжение частиц вещества друг к другу должно стягивать Вселенную в точку, сферическая модель будет статичной лишь в том случае, если силе тяготения будет противодействовать равная ей и противоположная по направлению «сила расширения». «Ламбда» как раз и характеризует физическое поле, порождающее эту силу. Статичная модель Эйнштейна продержалась недолго, потому что уже несколько лет спустя петербургский математик А. Фридман показал, что уравнения теории тяготения Эйнштейна допускают и другой класс решений, которые описывают расширяющуюся или сжимающуюся Вселенную, а вскоре наблюдения американского ученого Хаббла подтвердили, что она вместе с ее пространством действительно расширяется.

Какое-то время казалось, что это расширение является следствием первичного Большого Взрыва и что Вселенная в конце концов снова начнет сжиматься, закончив свою жизнь «охлопыванием» («коллапсом») всех атомов и элементарных частиц в одну безразмерную точку с бесконечной плотностью и температурой. Этот сценарий конца Вселенной получил название «Большого Хруста». Затем выяснилось, что вещества во Вселенной — паже с учетом «темного вещества» —слишком мало, чтобы заставить ее вновь сжиматься (данные «Карты Уилкинсона» это, кстати, подтвердили), и возобладало представление, что она будет расширяться до бесконечности, закончив свою жизнь не «Большим Хрустом», а «Большим Шепотом», когда все ее вещество, вплоть до последних атомов и частиц, истончится до нуля.