Существует несколько удивительных и поразительных фактов о Вселенной, и три из них, вместе взятые, накладывают строгие ограничения на само наше существование.
Содержание
Вселенная моложе во всех направлениях: значит ли это, что Земля – центр всего?
На самых больших масштабах Вселенная кажется изотропной, то есть одинаковой во всех направлениях. Как бы далеко мы ни заглядывали, ни одно направление не кажется «предпочтительным» и не демонстрирует свойств, отличных от других.
Кроме того, на самых больших космических масштабах Вселенная кажется однородной, то есть одинаковой во всех точках. Смотрим ли мы «сюда», «туда» или «куда-нибудь еще», мы видим примерно одинаковые температуры, плотности, количество галактик и т.д., если только мы рассматриваем достаточно большую область пространства.
И наконец, чем дальше мы смотрим в терминах расстояния – опять же, одинаково во всех направлениях – тем дальше мы заглядываем в прошлое: видим Вселенную такой, какой она была в более ранние моменты времени.
Эти три факта – изотропия, однородность и эволюция во времени – являются одними из краеугольных камней современной космологии, как теоретической, так и наблюдательной. Но что это значит для Вселенной в целом и что это говорит о нашем месте в ней? Именно здесь напрашивается вопрос:
«Как мы можем, заглядывая в прошлое, видеть во всех направлениях меньшую и более примитивную Вселенную, если Земля не является центром Вселенной?»
С точки зрения наблюдений, это правда, что когда мы заглядываем в прошлое, мы действительно видим во всех направлениях меньшую и более примитивную Вселенную. Но является ли Земля центром Вселенной? Здесь легко попасться в ловушку, но это не может быть правдой в контексте нашей лучшей теории гравитации – общей теории относительности Эйнштейна. И вот почему.
Если мы вернемся в 1915 год, когда Эйнштейн впервые сформулировал свою общую теорию относительности, трудно представить, насколько мало мы знали о Вселенной в то время. Мы могли видеть звезды в Млечном Пути, находящиеся на расстоянии сотен или даже тысяч световых лет, но не знали способа измерения расстояний до звезд, находящихся дальше. Мы видели туманности, включая спиральные и эллиптические, но еще не было общепринятым, что это галактики, или «островные вселенные», как их тогда называли, выходящие за пределы самого Млечного Пути. Мы не знали, что Вселенная расширяется, и теория Большого взрыва еще не была сформулирована.
Но с новой теорией гравитации – общей теорией относительности – Эйнштейн обнаружил огромную теоретическую проблему, возникшую при сравнении его понимания Вселенной с предсказаниями его теории. Если, как думал Эйнштейн, Вселенная:
- однородна, то есть имеет одинаковую плотность во всех точках,
- статична, то есть не расширяется и не эволюционирует во времени,
- и подчиняется законам общей теории относительности, в чем он был твердо уверен,
то возникала серьезная проблема: Вселенная должна быть неустойчивой. Согласно закону тяготения Эйнштейна, наличие и распределение материи и энергии определяет кривизну пространства-времени, и если бы у вас было равномерное распределение материи в статической Вселенной, вы бы обнаружили, что Вселенная вовсе не останется статичной. Напротив, из-за всей этой материи Вселенная неизбежно схлопнулась бы, сжимаясь и в конечном итоге приводя к сингулярности: тому, что мы сейчас называем черной дырой.
Космологическая постоянная и расширяющаяся Вселенная
Очевидно, что этого [коллапса Вселенной] не произошло и, судя по наблюдениям, не происходило. Сам Эйнштейн знал, что должно быть что-то, что этому препятствует, и поэтому – либо в порыве гениальности, либо в отчаянной попытке спасти свою теорию – он ввел в свои уравнения новый термин: космологическую постоянную.
Эта космологическая постоянная не была стандартной формой энергии, как материя и излучение, которые состоят из частиц и могут либо рассеиваться, либо становиться плотнее под действием сил. Космологическая постоянная представляла собой форму энергии, присущую самому пространству, и всегда действовала наружу: выступая в качестве чистого стимула, отталкивающего объекты в пространстве друг от друга.
Эйнштейн рассуждал, что только противодействуя внутреннему притяжению гравитации, действующей на материю и излучение, внешним «толчком» космологической постоянной можно достичь статической Вселенной, поскольку должно быть достигнуто некое «равновесное» состояние. Но в следующее десятилетие, в 1920-х годах, как теоретические, так и наблюдательные исследования показали, что эта линия мышления Эйнштейна не может быть верной.
На самом деле, многие критиковали введение Эйнштейном космологической постоянной для этой цели по одной важной причине: это было концептуальное решение, но в деталях оно было нестабильным. Если бы во Вселенной были хоть малейшие несовершенства или неоднородности, такие как звезды, планеты или Эйнштейны, она не смогла бы оставаться в равновесии, и некоторые ее части были бы обречены на коллапс, в то время как другие были бы вынуждены расширяться.
Первая революция была теоретической и началась с Александра Фридмана в 1922 году. Работая с уравнениями поля Эйнштейна, Фридман стал первым, кто показал, как Вселенная, равномерно заполненная:
- материей,
- излучением,
- космологической постоянной,
- и/или любой другой формой энергии, которую вы можете записать,
будет эволюционировать со временем. Прежде всего, примечательно отметить, что такая Вселенная будет или должна эволюционировать со временем; это явно не то, что, казалось бы, согласуется с тем, что мы наблюдаем. Тем не менее, Фридман не только упорствовал, но и зашел так далеко, что показал, как именно будет эволюционировать такая Вселенная и какие факторы будут определять ее будущую эволюцию.
То, что обнаружил Фридман, было замечательно: набор уравнений, которые связывали, с одной стороны, общее количество материи и энергии, присутствующей с другой стороны, со скоростью, с которой будет изменяться расстояние между любыми двумя произвольными точками в пространстве.
Можно сказать немного по-другому, чтобы вы поняли, насколько это глубоко: если в вашей Вселенной есть материя и/или энергия, равномерно распределенная по ней, то расстояние между любыми двумя точками в пространстве будет меняться со временем, и скорость, с которой это расстояние меняется, определяется непосредственно общей плотностью материи и энергии. Другими словами, пространство не может быть статичным в равномерно заполненной Вселенной, как первоначально предполагал Эйнштейн.
Однако уравнения Фридмана не говорят вам, в каком направлении будет происходить это изменение расстояния: положительном или отрицательном. Другими словами, Вселенная не может оставаться статичной, но у нее есть два варианта эволюции: она может расширяться, причем расстояние между любыми двумя точками увеличивается со временем, или она может сжиматься, причем расстояние между любыми двумя точками уменьшается со временем.
Это происходит постоянно в физике: у нас есть уравнения, которые управляют тем, как работает Вселенная, но они не дают вам единственных решений, а скорее несколько (два или более) возможных решений. Математически существует несколько ответов. Но в нашей физической Вселенной есть только один фактический результат, который когда-либо происходит.
Как мы можем определить, какой результат применим к нашей Вселенной?
Расширяющаяся Вселенная и горячий Большой Взрыв
Чтобы понять, какое решение [расширение или сжатие] физически релевантно для нашей Вселенной, нужно обратиться к самой Вселенной. Ответ на этот вопрос был получен благодаря сочетанию трех различных наблюдений:
- Наблюдения Генриетты Ливитт зависимости период-светимость для цефеид, которые показали, что если измерить, как быстро цефеида периодически становится ярче и тусклее, можно узнать ее истинную яркость.
- Наблюдения Весто Слайфера спиральных и эллиптических туманностей на небе, которые показали – по тому, как смещалась длина волны их света – что они двигались с невероятно большими скоростями, и эти скорости обычно указывали на движение от нас, а не к нам.
- Наблюдения Эдвина Хаббла (и его ассистента Милтона Хьюмасона) звезд того же класса, которые исследовала и каталогизировала Ливитт – цефеид – в других галактиках, которые казались чрезвычайно слабыми по сравнению с цефеидами в Млечном Пути и Магеллановых Облаках.
Не потребовалось много времени, чтобы люди сложили эти кусочки головоломки. Хотя Хабблу традиционно приписывают открытие расширяющейся Вселенной – и действительно, его наблюдения сыграли решающую роль в этом определении – он был не первым, кто это сделал.
Еще в 1927 году Жорж Леметр сложил кусочки головоломки с предварительными данными исследований Хаббла и Хьюмасона; затем в 1928 году Говард Робертсон, независимо, пришел к той же идее и сделал тот же вывод: Вселенная расширяется. Первая статья Хаббла, связывающая эти идеи воедино, появилась только в 1929 году, и только в 1930-х годах он, Эйнштейн и большинство астрофизического сообщества пришли к неизбежному выводу: Вселенная расширяется.
С тех пор, конечно, мы узнали гораздо больше о расширяющейся Вселенной, которая является лишь одним из четырех «краеугольных камней» современной космологии, которые существуют с начала 1960-х годов. Остальные три:
- открытие космического микроволнового фона, указывающее на ранний период в нашей космической истории, когда было так жарко, что нейтральные атомы не могли стабильно формироваться,
- измерение первичного содержания легких элементов и их изотопов, указывающее на еще более ранний, более горячий период, когда протоны и нейтроны сливались вместе в ядерных реакциях,
- и эволюционирующее формирование структуры в нашей Вселенной, которое переводит нас из раннего однородного состояния в позднее состояние, наполненное звездами, галактиками, скоплениями галактик и, в конечном итоге, полноценной космической паутиной структуры.
Когда вы складываете все четыре этих краеугольных камня вместе, возникает четкая картина: горячий Большой Взрыв.
Горячий Большой Взрыв в прошлом назывался по-разному. Жорж Леметр назвал его «космическим яйцом», когда впервые обсуждал раннее состояние, из которого расширилась Вселенная в том виде, в каком мы ее знаем.
Джордж Гамов, который разработал многие из этих краеугольных камней в 1940-х годах, назвал его «первичным атомом», и поэтому первоначальное название космического микроволнового фона было «первичный огненный шар», поскольку было признано, что оставшаяся тепловая ванна излучения первоначально была очень горячей в ранней Вселенной. Но на самом деле это был самый ярый противник Большого взрыва, Фред Хойл, который пренебрежительно придумал термин «Большой взрыв» в 1949 году.
Почему Вселенная кажется моложе во всех направлениях?
Но после того, как около 15 лет спустя был открыт космический микроволновый фон, правду уже нельзя было игнорировать; Большой взрыв описывал наше космическое происхождение – и соответствовал всем данным – в то время как ни одна из альтернатив не могла сравниться с его успехами.
Даже сегодня, спустя 60 лет после открытия космического микроволнового фона, горячий Большой взрыв остается неоспоримой лучшей идеей относительно нашего космического происхождения, хотя теперь он обладает ингредиентами, которые были неизвестны космологам и астрофизикам в то время: темная материя, темная энергия и эпоха, которая предшествует и подготавливает сам горячий Большой взрыв, космическая инфляция. Эта картина, известная как наша конкордантная модель космологии, удивительно сильна и устойчива.
Так почему же, когда мы смотрим назад во времени, мы видим меньшую, более примитивную Вселенную, во всех направлениях, куда бы мы ни смотрели? Почему мы видим, что Вселенная кажется меньше и примитивнее в равной степени, когда мы смотрим на все большие расстояния?
Это не потому, что Земля является центром Вселенной. Это происходит потому, что у Вселенной есть граница: граница не в пространстве, а во времени, которая соответствует моменту, когда рамки горячего Большого взрыва начали описывать нашу Вселенную.
Здесь, где мы находимся сейчас во Вселенной, с начала горячего Большого взрыва прошло в общей сложности 13,8 миллиардов лет. Это не является чем-то особенным для нас с нашей точки зрения; если бы мы могли мгновенно «телепортироваться» в любое другое место в пространстве – но без путешествий во времени – мы бы обнаружили, что то же самое верно для любой точки: с начала горячего Большого взрыва прошло 13,8 миллиардов лет.
Это верно там, где мы находимся, и это также верно везде. Это потому, что Большой взрыв не был событием, которое произошло в точке или в определенном месте в пространстве. Вместо этого это было событие, которое произошло в определенный момент времени, но которое произошло везде (по крайней мере, везде в той части Вселенной, которую мы можем наблюдать) одновременно.
Это означает, что в понятии однородности Вселенной есть небольшая оговорка: она однородна – то есть одинакова во всех точках – в пространстве, но не во времени! Другими словами, нам нужно скорректировать наше понятие однородности с учетом течения космического времени и, следовательно, расширения Вселенной за это прошедшее время. Это потому, что скорость света конечна, и любой испущенный свет должен пройти через Вселенную, даже когда сама Вселенная расширяется, прежде чем он достигнет наших глаз.
Это причина, по которой свет, который действительно приходит от далеких источников, не только смещен в красную сторону, или растянут, из-за расширения Вселенной, но и объекты, которые мы видим, не такие, какие они есть сейчас, а скорее такие, какими они были, когда этот свет, который сейчас приходит, был испущен: миллионы или даже миллиарды лет назад, в зависимости от их расстояния.
Это не уникально для нашей точки зрения здесь, на Земле. Например, когда мы смотрим на самую далекую галактику в известной Вселенной сегодня, JADES-GS-z14-0, мы видим ее в то время:
- когда Вселенной было всего 285 миллионов лет,
- всего 2,1% от ее нынешнего возраста,
- когда расстояние, разделяющее две точки в пространстве, составляло всего 7% от того, что есть сегодня,
- и где средняя плотность Вселенной была почти в 3000 раз больше, чем сегодня.
Если бы мы вместо этого находились внутри этой галактики (или, вернее, того, во что эта галактика превратилась за последующие 13,52 миллиарда лет), мы бы обнаружили то же самое, если бы посмотрели назад в противоположном направлении: на крошечную протогалактику, которая в конечном итоге станет Млечным Путем. Мы бы увидели Млечный Путь таким, каким он был, когда Вселенной было всего 285 миллионов лет, всего 2,1% от ее нынешнего возраста, когда расстояния между двумя точками в пространстве составляли всего 7% от ее нынешнего значения и где плотность была ~ в 3000 раз больше, чем сегодня.
Земля не является центром Вселенной
Идея о том, что Земля является центром Вселенной, коренится в двух основных заблуждениях о Большом взрыве: что он произошел в определенном месте в пространстве, от которого все объекты удаляются, как взрыв, и что тот факт, что мы видим объекты, удаляющиеся от нас во всех направлениях, означает, что мы находимся в центре или очень близко к центру этого взрыва. Но это неправда, и все наши наблюдения указывают на это. Если бы Большой взрыв был обычным взрывом, то:
- на больших расстояниях было бы меньше объектов, что не наблюдается,
- плотности были бы ниже, когда мы смотрим дальше, а не больше, как наблюдается,
- и Вселенная не была бы теплее на больших расстояниях, чем поблизости, вместо наблюдаемого свойства, что температура увеличивается все дальше и дальше, чем мы смотрим.
Как ученые, мы не делаем вероятностных выводов, и мы не приходим к научному консенсусу по поводу чего-то столь монументального, как происхождение и история нашей Вселенной, если только подтверждающие это доказательства не являются столь же монументальными. В случае горячего Большого взрыва это абсолютно так, и именно поэтому зародыш идеи развивался десятилетиями, не получил широкого признания до тех пор, пока в середине 1960-х годов не появились критически важные подтверждающие доказательства, а затем выдержал все испытания – хотя и с небольшими изменениями – за все прошедшее с тех пор время.
Вселенная выглядит «моложе» чем дальше мы смотрим, потому что она существует только в течение конечного промежутка времени. Большой взрыв, как сказал Гамов, был «днем без вчера», и чем дальше мы смотрим, тем ближе во времени к этому событию мы можем видеть. С новыми наблюдениями и новыми возможностями мы готовы исследовать момент творения ближе, чем когда-либо прежде.
Итан Сигел, доктор наук и астрофизик.
Читайте также: Наша Вселенная, расширяясь, поглощает молодые параллельные вселенные
