Вскоре после того, как в прошлом году космический телескоп James Webb начал передавать из космоса потрясающие изображения планет и туманностей, ошеломившие астрономов, последние вынуждены были признать, что со Вселенной что-то не так. Восемь месяцев спустя, основываясь отчасти на данных, полученных с помощью телескопа, ученые начинают думать, что нам, возможно, придется пересмотреть все ключевые характеристики происхождения и развития Вселенной.
Запущенный в конце 2021 года в рамках совместного проекта НАСА, Европейского космического агентства и Канадского космического агентства, телескоп James Webb – это инструмент с непревзойденными возможностями наблюдения. Он выполняет захватывающую миссию, позволяющую заглянуть в прошлое, по сути, на самые ранние звезды и галактики. Одно из первых важных открытий Уэбба тоже оказалось захватывающим, но очень неудобным для официальной науки: он обнаружил существование очень ранних полностью сформировавшихся галактик, что было невозможно в соответствии с так называемой стандартной моделью космологии.
Согласно стандартной модели, на которой основаны практически все исследования в этой области, существует фиксированная и точная последовательность событий, последовавших за Большим взрывом: Сначала под действием гравитации в остывающем космическом газе образовались более плотные области, которые выросли и превратились в звезды и черные дыры; затем под действием той же силы звезды объединились в галактики.
Однако данные Уэбба показали, что некоторые очень крупные галактики образовались очень быстро, за слишком короткое время, по крайней мере, если измерять согласно стандартной модели. И это не мелкое расхождение, не погрешность. Находка напоминает появление в сказке родителей и их детей в то время, когда бабушки и дедушки еще сами дети.
К сожалению, это не единичное несоответствие. В последнее время наблюдаются и другие случаи, когда доказательства, лежащие в основе фундаментальных представлений нашей науки о Вселенной, оказываются тревожно непоследовательными.
Возьмем, к примеру, вопрос о скорости расширения Вселенной. Это основополагающий факт космологической науки – так называемая постоянная Хаббла, однако ученые так и не смогли прийти к единому мнению. Существует два основных способа ее вычисления: один из них связан с измерениями ранней Вселенной (например, такими, которые проводит Уэбб); другой – с измерениями близлежащих звезд в современной Вселенной. Несмотря на десятилетия усилий, эти два метода продолжают показывать разные ответы.
Поначалу ученые ожидали, что расхождение будет устранено по мере накопления и совершенствования данных. Но проблема упорно сохранялась, даже когда данные становились все более точными. А теперь новые данные, полученные с помощью телескопа Уэбба, только усугубили проблему. Тенденция свидетельствует о недостатках самой фундаментальной модели, а не данных.
Две серьезные проблемы со стандартной моделью космологии должны были бы вызывать достаточную озабоченность. Но за последние полвека модель лишь неоднократно корректировалась, чтобы лучше соответствовать имеющимся данным, – изменения, которые, возможно, были необходимы и правильны, но которые в свете проблем, с которыми мы сейчас сталкиваемся, могут показаться скептикам подогнать реальность под придуманный закон.
Физики и астрономы начинают понимать, что во Вселенной что-то действительно не так. Некоторые считают, что необходимо не только пересмотреть стандартную модель космологии, но и изменить наши представления о самых основных характеристиках нашей Вселенной – нужна концептуальная революция, которая будет иметь последствия далеко за пределами науки.
Стандартная модель космологии, представляющая собой мощную смесь полученных с большим трудом данных и редкой абстрактной математической физики, по праву считается триумфом человеческой мысли. Она берет свое начало с открытия Эдвином Хабблом в 1920-х годах факта расширения Вселенной – первого доказательства Большого взрыва. Затем, в 1964 г., радиоастрономы обнаружили так называемый космический микроволновый фон – реликтовое излучение, дошедшее до нас вскоре после начала расширения Вселенной. Это открытие говорит о том, что ранняя Вселенная представляла собой горячий, плотный суп из субатомных частиц, который с тех пор постоянно остывает и становится менее плотным.
За последние 60 лет космология становилась все более точной в своей способности учесть получаемые данные о Вселенной. Однако для достижения такой высокой точности астрофизикам пришлось постулировать существование компонентов Вселенной, для которых у нас нет прямых доказательств. Согласно стандартной модели, “обычная” материя – то, из чего состоят люди, планеты и все остальное, что мы можем видеть, – составляет лишь около 4% Вселенной. Остальное – это невидимая материя, называемая темной материей и темной энергией (примерно 27% и 68% соответственно).
Космическая инфляция – это пример еще одной экзотической поправки, внесенной в стандартную модель. Теория, разработанная в 1981 г. для разрешения парадоксов, возникающих в связи с более старой версией Большого взрыва, утверждает, что ранняя Вселенная расширялась экспоненциально быстро в течение доли секунды после Большого взрыва. И хоть эта теория решает одни проблемы, но она создает другие. Примечательно, что, согласно большинству версий теории, вместо одной единственной Вселенной наша является лишь одной из бесконечного множества других в Мультивселенной. Причем, остальные из этих вселенных могут навсегда остаться для нас ненаблюдаемыми и непостигаемыми не только на практике, но и в принципе.
В этих особенностях стандартной модели нет ничего предосудительного. Ученые часто обнаруживают хорошие косвенные доказательства того, что мы не можем увидеть, например, сверхплотные сингулярности внутри черной дыры. Но после появления противоречивых данных о формировании галактик, полученных Уэббом, и обострения проблемы с постоянной Хаббла, нельзя винить тех, кто начинает задумываться о том, а не устарела ли модель.
В таких случаях для успокоения часто используется привычный рассказ о том, как работает наука. Это выглядит следующим образом: исследователи считают, что у них есть успешная теория, но новые данные показывают, что она несовершенна. Смело засучив рукава, ученые возвращаются к своим доскам и выдвигают новые идеи, которые позволяют им улучшить теорию, лучше согласуя ее с фактическими данными.
Это история одновременно смирения и триумфа, и ученые любят ее рассказывать. Возможно, так произойдет и в данном случае. Возможно, для решения проблем, с которыми нас заставляет столкнуться Уэбб, космологам потребуется лишь придумать новое “темное” нечто, которое позволит нашей картине Вселенной и дальше соответствовать лучшим космологическим данным.
Есть, однако, и другая вероятность. Возможно, мы находимся на том этапе, когда необходим радикальный отход от стандартной модели, который может даже потребовать от нас изменения всех наших представлений об элементарных составляющих Вселенной, а может быть даже о природе пространства и времени.
Космология не похожа на другие науки. Это не то же самое, что изучать мышей в лабиринте или наблюдать за кипением химикатов в колбе в лаборатории. Вселенная – это все, что есть; она одна (наверное), и мы не можем посмотреть на нее со стороны. Ее нельзя положить в коробку на стол и провести над ней контролируемые эксперименты. Поскольку космология является всеобъемлющей, она заставляет ученых решать вопросы о самой среде, в которой работает наука: о природе времени, о природе пространства, о природе закономерностей, о роли наблюдателей, которые ведут наблюдения.
Эти вопросы редко поднимаются в большинстве “обычных” наук (хотя в науке о сознании и в квантовой физике встречаются такие же “неудобные” вопросы). Работая так близко к границе между наукой и философией, космологи постоянно сталкиваются с призраками основных предположений, скрывающихся в используемых нами инструментах, например, с предположением, что научные законы не меняются со временем.
Но именно это предположение мы и должны поставить под сомнение, чтобы выяснить, что не так со стандартной моделью. Один из вариантов, озвученный физиком Ли Смолиным и философом Роберто Мангабейра Унгером, заключается в том, что законы физики могут эволюционировать и изменяться с течением времени. Различные законы могут даже конкурировать между собой за эффективность. Еще более радикальная вероятность, рассмотренная физиком Джоном Уилером, заключается в том, что каждый акт нашего наблюдения влияет на будущее и даже прошлую историю Вселенной. (Доктор Уилер, пытаясь разобраться в парадоксах квантовой механики, придумал “вселенную участия”, в которой каждый акт наблюдения в некотором смысле является новым актом творения).
Впрочем, непонятно, как такое революционное переосмысление нашей науки может помочь нам лучше понять космологические данные, которые ставят нас в тупик. Отчасти это связано с тем, что сами данные формируются под влиянием теоретических предположений тех, кто их собирает. Это было бы неизбежным шагом назад и переосмыслением таких фундаментальных основ нашей науки.
Революция может оказаться лучшим путем к прогрессу. Так было в прошлом с такими научными открытиями, как гелиоцентризм Коперника, теория эволюции Дарвина и теория относительности Эйнштейна. Все эти три теории в итоге оказали огромное влияние на культуру – поставили под угрозу наше ощущение своего особого места в космосе, бросили вызов нашей интуиции, что мы принципиально отличаемся от других животных, разрушили нашу веру в здравый смысл представлений о течении времени. Любая научная революция, подобная той, которую мы себе представляем, предположительно вызовет аналогичные отголоски в нашем понимании самих себя.
Философ Роберт Крейс писал, что философия необходима в тех случаях, когда дополнительные научные исследования не дают ответа на научный вопрос. Пока неясно, нужна ли она для преодоления кризиса в космологии. Но если большее количество корректировок и поправок не поможет, то, возможно, нам понадобится не только новая история Вселенной, но и новая философия, чтобы рассказывать о ней.
Читайте также: Вселенная как мозг: космос развивается и учится