Вселенная в виде воздушного шарика. Удаление других галактик от нас можно представить, вообразив, что весь космос распластался по поверхности постоянно раздувающегося гигантского воздушного шарика.
Основываясь на своих допущениях, Фридман смог найти решение уравнений Эйнштейна, при котором Вселенная расширялась именно так, как вскоре предстояло обнаружить Хабблу. В частности, в модели Фридмана Вселенная начинается с нулевого размера и расширяется до тех пор, пока гравитационное притяжение не остановит это расширение и в конечном счете не приведет ее к сжатию внутрь самой себя. (Как оказалось, есть два других типа решений уравнений Эйнштейна, тоже удовлетворяющих допущениям модели Фридмана: одно — соответствующее Вселенной, в которой расширение продолжается вечно, хотя и с небольшим замедлением, а другое — для Вселенной, в которой скорость расширения постоянно замедляется, стремясь к нулю, но никогда его не достигая.) Фридман умер через несколько лет после публикации своей работы, и его идеи оставались почти неизвестными вплоть до периода, последовавшего за открытием Хаббла. Но в 1927 году бельгийский профессор астрофизики, римско-католический священник Жорж Леметр (1894–1966) предложил похожую идею: если проследить историю мира назад, в прошлое, то Вселенная будет становиться все меньше и меньше, пока не наступит событие, приведшее к ее творению, — то, что мы сегодня называем Большим взрывом.
Сценарий с Большим взрывом нравится далеко не всем. И даже сам термин «Большой взрыв» придумал в 1949 году кембриджский астрофизик Фред Хойл (1915–2001), который считал, что Вселенная расширялась всегда, и использовал новый термин как иронический. Первые непосредственные наблюдения, подтверждающие эту идею, появились только в 1965 году, после обнаружения слабого микроволнового фонового излучения, исходившего от всего космоса. Это космическое микроволновое фоновое излучение (КМФИ, или реликтовое излучение) такое же, как в вашей микроволновке, но мощность его гораздо меньше. Вы можете наблюдать КМФИ, настроив телевизор на неработающий канал, — несколько процентов от увиденного на экране «снега» будет вызвано этим излучением. КМФИ было открыто случайно двумя американскими учеными из корпорации «Белл Лабз», пытавшимися устранить шум от своей микроволновой антенны. Сначала они думали, что этот шум вызван статическим электричеством, источником которого могли быть кучи птичьего помета — от голубей, ночевавших внутри антенны, имеющей вид огромного раструба. Но оказалась, что у их проблемы более интересное происхождение: КМФИ — это излучение, оставшееся после очень горячей и плотной ранней Вселенной, которая существовала вскоре после Большого взрыва. По мере расширения она остывала, пока излучение не превратилось в тот слабый остаток, который мы наблюдаем сегодня. В настоящее время эти микроволны смогут разогреть вашу пищу только до — 270 °C, что лишь на три градуса выше абсолютного нуля и не очень подходит для приготовления попкорна.
Астрономы обнаружили также и другие свидетельства, подтверждающие связь Большого взрыва с горячей и крохотной ранней Вселенной. Так, примерно в течение одной минуты после взрыва температура Вселенной была выше, чем в центре типичной звезды. В это время вся Вселенная работала как термоядерный реактор. Реакции прекратились, когда Вселенная достаточно расширилась и остыла, но, согласно теории, к этому времени она должна была состоять в основном из водорода и на 23 % из гелия, с небольшой примесью лития и бериллия (все более тяжелые элементы появились позже внутри звезд). Расчеты хорошо согласуются с теми количествами гелия, водорода, лития и бериллия, которые мы наблюдаем.
Измерения содержания гелия и КМФИ стали убедительными свидетельствами в пользу сценария Большого взрыва как правдоподобного описания ранней Вселенной. Но не нужно воспринимать Большой взрыв буквально, то есть думать, что теория Эйнштейна дает истинную картину происхождения Вселенной. Потому что общая теория относительности предсказывает лишь, что должна была иметься точка во времени, когда температура, плотность и кривизна Вселенной были бесконечны, — ситуация, которую математики называют сингулярностью. Для физиков это означает, что в этой точке теория Эйнштейна перестает действовать и потому не может быть использована для предсказания того, как Вселенная началась. Эта теория пригодна только для рассмотрения последующего развития мира. Поэтому, хотя мы можем пользоваться уравнениями общей теории относительности и нашими наблюдениями неба, чтобы узнать, какой была Вселенная в ее раннем возрасте, было бы неверным распространять сценарий Большого взрыва на весь путь, вплоть до самого начала.
К вопросу о происхождении Вселенной мы вскоре вернемся, но прежде несколько слов о первой фазе ее расширения. Физики называют ее инфляцией. Если вы не живете в Зимбабве, где денежная инфляция недавно превысила 200 000 000 процентов, то этот термин не должен вас шокировать. Но даже по самым осторожным оценкам во время той космологической инфляции Вселенная расширилась в 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 раз за 0,000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 01 долю секунды. Это как если бы монетка диаметром 1 см мгновенно стала в десять миллионов раз шире нашей Галактики — Млечного Пути. Такое явление может показаться нарушением теории относительности, которая гласит, что скорость света не может быть превышена ничем, но это ограничение скорости неприменимо к расширению самого пространства.
Впервые предположение, что такой эпизод инфляции мог произойти, было выдвинуто в 1980 году на основе рассуждений, выходящих за рамки общей теории относительности Эйнштейна и с учетом аспектов квантовой теории. Поскольку у нас нет полной квантовой теории гравитации, детали все еще прорабатываются, и физики не имеют полной уверенности в том, как именно происходила инфляция. Но согласно теории, расширение, вызванное инфляцией, не было бы полностью однородным, как предсказано традиционной моделью Большого взрыва. Такие неоднородности привели бы к крошечным различиям в температуре КМФИ в различных направлениях. Эти отклонения слишком малы, поэтому их невозможно было заметить с помощью тех приборов, которыми пользовались в 1960-е годы. Впервые их обнаружили в 1992 году спутником СОВЕ, запущенным NASA, а позднее они были измерены пришедшим ему на смену в 2001 году спутником WMAP. В результате этого теперь мы уверены, что инфляция действительно была.
Хотя крохотные отклонения в КМФИ представляют собой доказательство инфляции, но, как ни странно, одна из причин того, что инфляция является важной концепцией, — это почти полная однородность температуры КМФИ. Если вы нагреете одну часть объекта до температуры более высокой, чем его окружение, и подождете, то горячее пятно будет охлаждаться, а окружение нагреваться, пока температура не уравняется. Таким образом, можно ожидать, что в конце концов Вселенная примет однородную температуру. Но этот процесс требует времени, и если бы не произошло инфляции, то в истории Вселенной не хватило бы времени, чтобы нагреть расположенные далеко друг от друга области до равной температуры, учитывая, что скорость такой передачи тепла ограничена скоростью света. Период очень быстрого расширения (гораздо быстрее скорости света) устраняет эту трудность, так как тогда имелось бы достаточно времени, чтобы произошло выравнивание температуры в пределах весьма крошечной доинфляционной ранней Вселенной.
