Отголоски Большого взрыва

В 1960-х все играло на руку сторонникам теории Большого взрыва. В 1964–1965 годах был сделан особенно значимый шаг в изучении истории вселенной, шаг к выбору между двумя конкурировавшими теориями – Большого взрыва и стационарного состояния. То был один из сравнительно редких случаев в науке, когда ценные факты обнаруживаются там, где их никто не искал. История этого открытия превратилась в легенду. В лаборатории Белла в Нью-Джерси была установлена антенна для подсоединения к передающим спутникам “Эхо-1” и “Телестар”. Фоновый шум, улавливаемый антенной, мешал приему сигналов из космоса. Антенну подкрутили, наладили, работавшие с ней ученые постарались сосредоточиться на сигналах, перекрывавших шум. Да, эти звуки раздражали, но большинство сумело от них отрешиться. Однако Арно Пензиас и Роберт Уилсон обратили внимание именно на шум.

Пензиас и Уилсон заметили, что уровень шума остается постоянным, в каком бы направлении они ни разворачивали антенну. Значит, источником не была атмосфера Земли, иначе шум бы возрастал, когда антенна поворачивалась к горизонту, – так давление атмосферы возрастало по сравнению с тем, которое действовало на антенну, повернутую вертикально вверх. Шум исходил либо из-за границ атмосферы, либо от самой антенны. Пензиас и Уилсон подумали: а вдруг виной всему голуби, устроившие на антенне свое гнездо? Но и после того, как гнездо сняли и вычистили голубиный помет, шум не унимался.

Другой радиофизик, Бернард Берк, узнал о проблеме, с которой столкнулись Пензиас и Уилсон, но, в отличие от них, он был также знаком с работой Роберта Дикке из Принстона. Дикке настраивал антенну для поисков излучения, сохранившегося почти что с начального периода существования вселенной, с той поры, когда – если верить теории Большого взрыва – вселенная все еще была очень горячей. В 1940-х годах эмигрант из России Георгий Гамов и американцы Ральф Альфер и Роберт Герман высказали предположение, что реликтовое излучение все еще ощутимо, хотя к нашему времени его температура не превышает пяти градусов выше абсолютного нуля. Берк свел Пензиаса и Уилсона с Дикке, и вместе они пришли к выводу, что Пензиас и Уилсон случайно наткнулись на то самое излучение, которое пытался отыскать Дикке.

Открытие космического микроволнового фонового излучения (таков был его полный титул, сокращенно CMBR) оказалось мощным аргументом в пользу теории Большого взрыва, ибо, согласно этой теории, вселенная некогда была гораздо плотнее и горячее, нежели теперь. Хокинг и Джордж Эллис написали в 1968 году статью о том, как много это открытие значит для подтверждения теории Большого взрыва[180]. Но вместе с тем появилась и проблема. При повторных замерах, проводившихся на максимальном удалении от Земли, температура излучения оказалась повсюду одинаковой. В CMBR отсутствовали незначительные колебания, которые могли бы привести к формированию наблюдаемых ныне структур.

Однако эта проблема казалась незначительной, тем более на фоне все новых подтверждений в пользу теории Большого взрыва. Выяснилось, например, что квазары, которые физики-теоретики считали начальной стадией формирования галактик, располагаются лишь на огромных расстояниях от Земли. Если бы теория стационарного состояния была верна – а она предполагает постоянное расхождение галактик, причем зазоры между ними заполняются новыми галактиками, – то квазары должны были бы равномерно распределяться и вдали от нас, и поблизости. Но это не так. Огромная удаленность квазаров от Земли (в пространстве, а значит, и во времени) означает, что они возникали только в ту пору, когда вселенная была намного моложе. Эта стадия формирования галактик относится лишь к давнему прошлому, а в более поздние эпохи в истории вселенной отсутствует – не отмечается и теперь.

Еще один гвоздь в гроб теории стационарного состояния был забит в 1973 году. С помощью воздушных шаров физики из Беркли убедились, что спектр космического микроволнового фонового излучения совпадает со спектром, предсказанным теорией Большого взрыва. Также данные исследования избытков элементов в Млечном Пути и в других галактиках совпали с данными, предсказанными теорией Большого взрыва.

И все же в 1970-х в теории Большого взрыва оставались неразрешенные противоречия. Хотя в это время Хокинг главным образом сосредоточился на изучении черных дыр, вопрос о происхождении вселенной неизменно его волновал, да и его коллеги в разных странах мира ломали голову над тем, как устранить проблемы, возникавшие в связи с теорией Большого взрыва. Эти проблемы получили названия “проблема горизонта”, “проблема плоскостности” и “проблема гладкости”.

Проблема горизонта заключается в том, что космическое микроволновое фоновое излучение оказалось одинаковым по всем направлениям и в областях вселенной, столь отдаленных друг от друга, что излучение никак не могло поспеть из одной области в другую даже в первые доли секунды после Большого взрыва, когда они еще только разлетались в разные стороны. Интенсивность излучения в этих областях до такой степени идентична, что напрашивается мысль: они каким-то образом обменивались энергией и пришли к равновесию. Но как?

Проблема плоскостности связана с вопросом, почему вселенная давно уже не пережила коллапс и не вернулась обратно в точечное состояние или же почему центробежное движение не оказалось слишком стремительным и не помешало гравитации стянуть вещество воедино для формирования звезд. Уму непостижимо, как наша вселенная ухитрилась найти золотую середину между двумя губительными крайностями. Для этого выделенная Большим взрывом энергия центробежного движения и сила всемирного тяготения должны были быть практически равны. Через 10^–43 секунды после Большого взрыва (в числителе единица, в знаменателе 43 нуля после единицы) они должны были отличаться не более чем на единицу, деленную на 10⁶⁰ – на единицу с шестьюдесятью нулями.

И в-третьих, проблема гладкости. Судя по идентичности CMBR во всех направлениях, вселенная в самом своем начале была гладкой, без комков, бугров, складок, каких-либо аномалий. И это стало главной головной болью для астрофизиков – “недостающим звеном” теории Большого взрыва: если в ту эпоху, от которой до нас дошло реликтовое излучение, вселенная была до такой степени однородной, как потом, миновав возраст в 300 тысяч лет, она вдруг сделалась столь разнообразной, “ухабистой”, породив и большие сгустки материи вроде звезд, галактик, кластеров, планет, и малые вроде нас с вами? Почему реликтовое излучение не сохранило и намека на ранние стадии такой дифференциации?

Если эта проблема кажется вам не такой уж важной, вспомните принцип демократии Уилера: чем ближе друг к другу находятся частицы, тем сильнее их взаимное притяжение. Если все частицы вещества во вселенной находятся на одинаковых расстояниях друг от друга и нет областей, в которых они скапливаются хоть чуть плотнее, то на каждую частицу действует одинаковое притяжение со всех сторон и ни одна из них не подвинется к другой. У исследователей выходило, что вначале вселенная представляла собой именно такого рода кристаллическую решетку: вещество распределялось в ней столь равномерно, что никогда бы не стронулось с места и не образовало бы ту вселенную, которую мы наблюдаем.

К середине 1970-х, когда Хокинг впервые приехал в Калифорнийский технологический, никому из физиков-теоретиков не удалось устранить ни один из этих камней преткновения.