Коллектив авторов - Происхождение Вселенной. Как с помощью теории относительности Эйнштейна можно проникнуть в прошлое, понять настоящее и предвидеть будущее Вселенной [litres]

Космологи рассматривают Вселенную как единое целое. Они изучают ее рождение и развитие, размеры и форму, предсказывают ее дальнейшую судьбу и пытаются понять ее, используя математические модели, основанные на общей теории относительности.

То, что Вселенная воистину громадна, стало ясно в 1920-е годы, когда Эдвин Хаббл доказал, что «спиральные туманности» на самом деле являются другими галактиками, подобными нашей, но удаленными от нас на расстояния от миллионов до миллиардов световых лет. Он также обнаружил, что их свет немного «покрасневший». Этот факт можно объяснить тем, что они удаляются от нас. Вселенная расширяется.

Это открытие привело к созданию теории Большого взрыва. Если сейчас в космосе все разлетается, то, предположительно, раньше все было «упаковано» гораздо более плотно. А это означает, что новорожденная Вселенная была плотной и горячей. Конкурирующая теория, теория стационарной Вселенной, утверждает, что новое вещество постоянно создается, чтобы заполнять пустоты, возникающие вследствие расширения. Но теория Большого взрыва одержала триумфальную победу в 1965 году, когда Арно Пензиас (род. 1933) и Роберт Вудро Вильсон (род. 1936) открыли космическое микроволновое фоновое излучение. Это реликтовое тепловое излучение, испущенное горячей материей ранней Вселенной через 380 000 лет после Большого взрыва.

Рост Вселенной можно смоделировать, используя теорию относительности: если предположить, что на наибольших масштабах Вселенная однородна, то трудности теории можно преодолеть с помощью достаточно простых уравнений в моделях Фридмана, описывающих расширение и эволюцию пространства.

Согласно этим моделям общая форма пространства-времени в масштабе всей Вселенной может быть искривлена либо вовнутрь, как поверхность сферы, либо изогнута в форме седла. Но наблюдения свидетельствуют, что Вселенная балансирует между двумя типами кривизны и является практически плоской. Это не запрещается в моделях Фридмана, но кажется странным – уж слишком «тонкая» работа требуется для такого баланса. Одно из объяснений может дать теория инфляции. Она утверждает, что в первые доли секунды пространство расширялось с ужасающей скоростью, способной выпрямить любую первоначальную кривизну. Сегодняшняя наблюдаемая Вселенная выросла из микроскопического участка первозданного огненного шара. Эта теория также может объяснить проблему горизонта – почему на одной стороне Вселенной наблюдается практически такая же плотность и температура, что и на другой.

Конечно, Вселенная не совсем плоская. Галактики создают небольшие локальные вмятины в пространстве-времени. В 1990 году спутник COBE обнаружил рябь в космическом микроволновом фоне, признак первоначальных флуктуаций плотности. Эта легкая рябь в молодой Вселенной могла быть сформирована случайными квантовыми флуктуациями в поле энергии, которое и запустило инфляцию. Гравитация усиливает первоначальные флуктуации, подталкивая друг к другу более плотные кусочки вещества, и они становятся звездами, галактиками и скоплениями галактик. Сегодня галактики рассеяны по всей Вселенной подобно пене, образуя узелки, струны и стенки, окружающие пузырчатые пустоты. Масштабы этих структур простираются примерно до миллиарда световых лет.

Видимая материя не обладает достаточной гравитацией для создания той структуры, которую мы видим: очевидно, ей должна помогать какая-то форма темной материи. Еще одно доказательство существования этой темной материи предоставляется галактиками, которые вращаются слишком быстро, чтобы удерживать свое вещество без дополнительного гравитационного «клея».

Темная материя не может состоять из протонов, нейтронов и электронов. Когда Вселенной не было еще трех минут от роду, протоны и нейтроны соединились и образовали дейтерий (тяжелый водород) и небольшие количества других легких элементов. Космологи посчитали, что если бы обычного вещества во Вселенной было гораздо больше, чем сейчас, тогда бы и в плотном вареве возникло гораздо больше дейтерия. Поэтому темная материя – это нечто экзотическое, что могло образоваться в самые первые горячие моменты Большого взрыва. Физики предлагали множество гипотетических частиц, которые могли бы входить в состав темной материи, включая так называемые слабо взаимодействующие массивные частицы и более легкие аксионы. Первоначальные черные дыры, вышедшие из горнила Большого взрыва, также могли включиться в образование темной материи.