В защиту науки № 4 - Эдуард Кругляков

«Обычное» вещество не способно ускорять галактики, а лишь тормозит их разлет: взаимное тяготение галактик стремится сблизить одну с другой. Поэтому открытый астрономами факт ускоренного расширения указывает на то, что наряду с обычным веществом, создающим тяготение, во Вселенной присутствует и неизвестная ранее ни по астрономическим наблюдениям, ни по физическим экспериментам особая космическая энергия, которая создает не тяготение, а антитяготение — всеобщее отталкивание тел природы. При этом в космологическом масштабе антитяготение сильнее тяготения. Новая энергия получила название «темной энергии». Темная энергия действительно невидима — она не излучает, не рассеивает и не поглощает света (и всех вообще электромагнитных волн); она проявляет себя только своим антитяготением.

По совокупности различных наблюдений к настоящему времени установлена доля каждого космического компонента в общем энергетическом балансе современной Вселенной. Эти компоненты сейчас называют видами космической энергии. На долю темной энергии приходится примерно 75 % всей энергии мира; на долю темной материи — 20 %, на долю обычного вещества (его принято называть барионами) — около 5 %; на долю излучения — меньше десятой доли процента. Таков рецепт «энергетической смеси», заполняющей современную Вселенную.

Замечательно, что три из четырех фундаментальных открытий в космологии, о которых мы рассказали сейчас, были первоначально предсказаны теоретически. Феномен космологического расширения предвидел в 1922–1924 гг. петербургский математик А.А. Фридман, ставший в наши дни общепризнанным классиком науки о Вселенной (о его трудах и жизни см. в книге [7]). Существование фонового электромагнитного излучения с температурой в несколько градусов Кельвина предсказал в 1948–1953 гг. Г.А. Гамов, некогда ученик профессора Фридмана по Петербургскому (Ленинградскому) университету. Согласно построенной Гамовым теории Большого Взрыва (см. [2]), это излучение представляет собой остаток, реликт некогда очень горячего начального состояния Вселенной, имевшего место в первые минуты её расширения. Что касается космического антитяготения, то четкое представление о нем содержалось в работе Эйнштейна (1917 г.), положившей начало современной космологической теории. И только темная материя не была предсказана теоретически — этот тип вещества, или энергии, не предусмотрен стандартной моделью фундаментальной физики.

2. Реальность Большого Взрыва: космическая эволюция. В космологической литературе (весьма обширной и разнообразной на сегодняшний день) словам «Большой Взрыв» не всегда придают один и тот же смысл. Иногда под этим понимают гипотетическое событие, в результате которого возникла Вселенная и началась её дальнейшая история. Не вполне ясно, впрочем, обязательно ли в этом случае говорить именно о возникновении мира «из ничего» или скорее, может быть, о каком-то его новом возрождении из чего-то уже некогда существовавшего. Как бы то ни было, о физике, которая стоит за этим событием, в настоящее время ничего достоверно не известно. По этому поводу вспоминают, случается, о мифе божественного сотворения мира, о древних космогонических легендах. Но как говорил знаменитый космолог Жорж Леметр (а он был также профессиональным теологом, аббатом и президентом Папской академии наук в Ватикане), космологическая теория, допускающая особое, сингулярное начальное состояние мира, «остается полностью в стороне от любых метафизических или религиозных вопросов. Она оставляет материалисту свободу отрицать любое трансцендентное Бытие. Для человека верующего это отводит любую попытку более близкого знакомства с Богом… что созвучно с изречением Исайи, гласящем о "Скрытом Боге", скрытом даже в начале творения». Но такую просвещенную точку зрения разделяют, приходится сказать, далеко не все последователи тех или иных религиозных верований. Известны как многочисленные — наивные и безнадежные — попытки отрицать Большой Взрыв, так и тщетные усилия увидеть в Большом Взрыве «научный аргумент» в пользу божественного творения мира.

Чаще всего в физике и астрономии Большим Взрывом называют, однако, не начальное событие космической истории, а весь разворачивающийся в пространстве-времени процесс всеобщего расширения Вселенной. Этот процесс сопровождается длительной и богатой событиями космологической эволюцией, непрерывной цепью изменений и превращений во Вселенной. Заметим, что ключевое слово здесь — «эволюция», столь неприятное клерикальным критикам космологии, неразумно отвергающим в этой науке (как и в биологии) всё, что, по их мнению, противоречит религиозному мировоззрению. Между тем выяснение и надежное доказательство основных черт и этапов эволюционного развития Вселенной — одно из важнейших достижений современного естествознания. Приведем сейчас ряд конкретных наблюдательных фактов из эволюционной истории Вселенной.

2.1. Разбегание галактик. Важнейшим из всех этих фактов является, конечно, сам феномен космологического расширения. Мы уже успели сказать, что космологическое расширение было открыто по наблюдениям движений галактик почти сто лет назад. Это открытие выдержало проверку временем, причем за истекшие с тех пор годы были сделаны необходимые поправки и уточнения к описанию количественных закономерностей этого явления. Не обошлось, однако, и без попыток опровергнуть сам факт космологического расширения. Утверждалось, например, что эффект Доплера (к которому сводится описание красного смещения в области малых скоростей), экспериментально проверен лишь в ограниченных пространственных масштабах и, возможно, не справедлив для больших космологических расстояний. Одно время и сам Хаббл, открыватель космологического расширения, склонялся к той точке зрения, что дело не в эффекте Доплера, а в «старении света» по его дороге от галактик до нас. По словам одного из его современников, это выглядело так, как если бы сэр Исаак Ньютон явился и сказал: «Кстати, джентльмены, о том яблоке… Видите ли, оно в действительности не падает».

Идея старения света целиком противоречит общим законам физики — это было строго доказано ещё в 1930-е гг. Как мы уже говорили, свет распространяется вдоль нулевых геодезических линий в пространстве-времени, а эффект Доплера (в приближении сравнительно малых скоростей) и красное смещение — прямые следствия этого фундаментального общего обстоятельства. Справедливость стандартной теории распространения света проверена и подтверждена всей совокупностью многочисленных экспериментов и астрономических наблюдений — в том числе и на космологических расстояниях. Как видно, например, из знаменитой «Теории поля» Ландау и Лифшица, картина распространения света в космологии проста и естественна; никаким сомнениям тут нет и не может быть места.

2.2. Наблюдая прошлое Вселенной. Общая картина распространения света позволяет выяснить, при каких условиях в расширяющемся мире можно измерять не только скорости, но и ускорения галактик: как мы уже сказали, тут нужны очень большие расстояния. Таким путем было найдено, что до расстояний примерно в 7 млрд световых лет эти ускорения положительны: скорость удаления галактик возрастает со временем. Но на ещё более далеких расстояниях ускорение, как оказалось, меняет знак — там оно отрицательно и, значит, на этих сверхбольших расстояниях космологическое расширение происходит с замедлением.

Примем теперь во внимание, что свет распространяется в пространстве не мгновенно, не бесконечно быстро, а с некоторой конечной скоростью. Это означает, что мы видим предметы такими, какими они были тогда, когда они испустили принимаемый нами сейчас свет. Солнце мы видим с задержкой в 8 минут; галактики же, находящиеся на расстоянии 7 млрд. световых лет, мы видим такими, какими они были 7 млрд. лет назад. Телескоп — это настоящая машина времени, позволяющая воочию видеть прошлое мира. Можно сказать, что, наблюдая далекие галактики, мы видим и исследуем четырехмерное пространство-время.

Современный возраст мира составляет 13,7 млрд. лет: таковы самые свежие космологические данные на этот счет, вытекающие из комбинации различных независимых наблюдений. Эта величина — самая большая длительность, эмпирически оцениваемая в природе. Сказанное только что о космологическом ускорении означает, что первую половину своей истории Вселенная расширялась с замедлением, а вторую — с ускорением. Таким путем стала известна важнейшая веха в динамической истории Вселенной — момент смены знака космологического ускорения.

В первую половину своей истории расширяющаяся Вселенная практически не чувствовала присутствия в ней темной энергии — тогда плотность вещества (темной материи и барионов)была значительно выше плотности темной энергии. Дело в том, что плотность темной энергии не зависит от времени, это величина постоянная. А плотность вещества убывает в ходе расширения, так что в прошлом она была выше, чем сейчас; по этой причине до определенного момента тяготение вещества было сильнее антитяготения темной энергии. Эти две силы как раз и сравнялись по величине примерно 7 млрд. лет тому назад: сначала преобладало вещество и его тяготение замедляло разлет галактик, а потом наступила эпоха преобладания темной энергии, и её антитяготение стало сильнее тяготения вещества. Эта эпоха антитяготения и ускоренного космологического расширения продолжается поныне и будет длится неограниченно долго в будущем.