Глава 2. Реликтовое излучение

Когда космологи рассуждают о происхождении Вселенной, то естественным является вопрос – откуда им известно о том, что случилось миллиарды лет назад? Ответ нужно искать, взглянув на звёзды.

Ваши глаза воспринимают ночное небо в чёрном цвете. Но если бы они могли различать длинные световые волны, то вы бы с удивлением обнаружили, что небо полностью заполнено слабым, однородным и постоянным фоновым излучением.

Это излучение, носящее название реликтового, единственное, что сегодня осталось от Большого Взрыва. Ежесекундно через каждый кубический метр пространства в любом месте Вселенной пролетает 400 млн. этих древних частичек первозданного света.

Раньше реликтовое излучение было невообразимо горячим. Но с момента Большого Взрыва прошло почти 14 млрд. лет. Космос за это время существенно охладился. Сегодня температура реликтового излучения всего на 2.73 градуса Кельвина выше абсолютного нуля.

Хотя ваши глаза не способны различить реликтовое излучение в космосе, вы можете обнаружить его буквально в собственном доме. Это всем известная «рябь» в телевизоре, не настроенном на конкретный канал.

Только вообразите себе всю одновременную банальность и грандиозность происходящего, когда вы смотрите в пустой мерцающий экран. Конечно, обидно, что неожиданно прервалось популярное ток-шоу, но взамен вы получили возможность без какой-либо абонентской платы посмотреть в прямом эфире трансляцию зарождения бытия.

Для специалистов, конечно, важны не эти занимательные факты.

Для нас реликтовое излучение стало основным инструментом космологических исследований. Благодаря этому артефакту, учёные способны реконструировать события, которые происходили во Вселенной в самом начале её существования.

То, что тогда произошло, оставило свой вечный отпечаток на условной карте реликтового излучения. Поскольку в целом оно очень однородно то, выискивая необычные «следы» прошлых эпох, всякие неоднородности фоновой трансляции, искажения и мелкие необычные вкрапления в целом единый рисунок, астрофизики способны очень точно восстановить информацию о молодой Вселенной. В том числе, такие важные последствия Большого Взрыва, как образование сложных структур в космосе и появление галактик.

Маленькие плотные пятнышки на карте современного реликтового излучения – это отпечатки зарождения звёздных скоплений в далёком прошлом. Таким образом, исследуя карту, можно в прямом смысле слова заглянуть в очень древние эпохи. Увидеть и понять, как всё было устроено и что происходило миллиарды лет назад.

Дело в том, что световому лучу, несмотря на огромную скорость движения фотонов в межзвёздном пространстве, необходимо колоссально много времени, чтобы достичь ваших глаз из отдалённых областей космоса. Например, свет звёзд Туманности Андромеды летит до Земли около 2.5 млн. лет. Поэтому, смотря на ночное небо, вы на самом деле видите звёзды в очень-очень далёком прошлом. Некоторые из них уже давно погасли. Их свет достиг Земли только в наши дни. Поэтому анализ карты реликтового излучения – это своеобразная космологическая археология.

Не менее важно и другое обстоятельство.

Единичная однородность реликтового излучения подтверждает общую однородность законов физики во всей Вселенной. Это критически важное знание для науки.

Если бы физические законы были неодинаковыми в разных частях космоса, то мы не могли бы уверенно утверждать, что наши научные знания являются точными, фундаментальными. Как следствие, разрушилась бы вся современная картина понимания Мироздания.

Например, если скорость света в нашей Галактике отличается от её значения в той же Туманности Андромеды, то знаменитая формула Е=mс², как, впрочем, и вся теория относительности Альберта Эйнштейна¹, не была бы универсальной.

Это бы означало, что в разных частях космоса работает разная физика. Тогда, в первую очередь, мы были бы не уверены в том, что в любой области пространства время течёт одинаково, что сразу поставило бы под сомнение правильность нашего понимания всех физических процессов в природе.

Если время глобально не синхронно, то любой вопрос о любом событии в окружающем мире становится бессмысленным.

Для вас случится одно, а для меня – совсем другое, всё запутается и любая точка отсчёта станет некорректной. Привычный нам мир просто не может существовать при таких природных законах.

Благодаря реликтовому излучению, мы уверены в том, что Вселенная появилась в результате Большого Взрыва, а базовые физические постулаты – едины в любом месте наблюдаемого пространства.

Глава 3. Фотометрический парадокс

Когда мы смотрим на тёмное ночное небо… Кстати, а почему оно тёмное?

Фотометрический парадокс, сформулированный Генрихом Ольберсом², заключается в этом, казалось бы, детском вопросе. На него можно дать такой же наивный ответ: небо тёмное, потому что Солнце не освещает его ночью. Однако, не всё так просто.

Если Вселенная бесконечна и содержит бесконечное число звёзд, значит при взгляде на небо, куда бы вы ни посмотрели, вы обязательно должны увидеть звезду. То есть, ночное небо должно быть сплошь усыпано яркими точками и светиться в ночи.

Реально мы наблюдаем тёмное небо с относительно редко расположенными на нём отдельными маленькими звёздочками. Это парадоксально. Но, только на первый взгляд.

Если бы Вселенная была вечной, статичной и имела евклидову геометрию, то ночное небо действительно было бы очень ярким. На самом деле мы знаем, что космос образовался около четырнадцати миллиардов лет назад, поэтому наблюдаемая Вселенная содержит хоть и огромное, но всё же конечное число звёзд.

Их, конечно, очень много, но не бесконечно много для того, чтобы усыпать всё небо яркими жёлтыми точками. Поэтому, в целом – в космосе достаточно пусто и темно.

Кроме того, мы знаем, что в результате Большого Взрыва пространство расширяется. Звёзды удаляются от нас с большой скоростью, интенсивность их излучения значительно снижается. Многие очень дальние звёзды или очень тусклые, или мы их вообще не видим.

То есть, космосу присуща динамика и даже если бы в нём было бесконечное число звёзд, их свет не смог сжечь нас. Это не просто большая удача, но и важный философский вывод.

Он утверждает, что в статичной Вселенной жизнь не смогла бы образоваться. Ночное небо представляло бы собой невообразимо яркое ослепительное полотно. Никто не смог бы выжить под этим испепеляющим свечением. Звёзды и планеты вначале разогрелись бы до огромных температур, а потом были уничтожены мощным потоком фонового излучения.

Динамичный же Космос создал благоприятные стартовые условия для возникновения жизни.

Глава 4. Наблюдатель

В космологии термин «наблюдатель» является одним из ключевых. Без его понимания, сложно разобраться во многих вопросах, которые обсуждаются в моей книге. Поэтому важно с самого начала уяснить суть этого термина.

Мне ближе всего определение, согласно которому наблюдателем является тот, кто обладает сознанием и знаниями. То есть, разумное существо, способное независимо измерять физические законы. Именно разумное, а не просто живое, хотя критерии жизни и разумности достаточно расплывчаты.

Я исхожу из того факта, что условная собака-наблюдатель не способна передать информацию, то есть рассказать нам, что именно она видит. Тогда как человек может сообщить данные наблюдения другому человеку.

Некоторые учёные считают, что подобную функцию способно выполнить автономное записывающее устройство. Грубо говоря, хороший компьютер. Я думаю, это не так.

Мне кажется, записывающее устройство не способно в полной мере заменить наблюдателя, потому что тогда некому будет прочесть и понять записанное.

Чтобы передать и принять информацию, нужен осознающий субъект, способный интерпретировать показания детектора.

Важен не сам акт измерения, а факт поступления информации к наблюдателю. В этом смысле наблюдение – это не просто фактическое присутствие в мире, а способность дать оценку происходящему.

Само по себе наличие файла в компьютере, без его расшифровки, никоим образом не расширяет возможные границы познания.

Совсем иное, когда кто-то способен прочесть текст, сделать на его основе адекватные выводы, и начать действовать.

Тогда, и только тогда он сможет наблюдать реальность, чтобы сравнить видимое с расчётами.

Поэтому фиксация данных и их оценка – две большие разницы.

Записывающее устройство не способно оценивать. Это может сделать лишь разумное существо.

Между прочим, именно люди смогли создать искусственную аппаратуру, способную фиксировать измерения. Подобных естественных детекторов нет.

Сам факт нашего существования означает, что на некоторой стадии эволюции Вселенной в ней появляется наблюдатель. Соответственно, все мы объективно являемся участниками происходящих в природе физических процессов.

Мир без наблюдателя некому проанализировать. Компьютер в пустом пространстве, собирающий данные, объективно никому не нужен. Представляется, что во Вселенной без разумных наблюдателей нет никакого смысла.

Мы состоим из атомов, то есть являемся составной частью наблюдаемого материального мира. Наблюдателя невозможно отстранить от процесса наблюдения до момента его смерти. И здесь возникает интересный вопрос.

Смерть отдельного человека не приводит к гибели Вселенной. Но что, если неожиданно исчезнет всё человечество?

Останется ли существовать Вселенная и, если да, то кто сможет это подтвердить?

Кто вправе сказать «Мир реален, мир существует» в ситуации, когда нет никого, кто способен произнести эти слова?

Эти рассуждения заставляют меня задать ещё ряд принципиальных вопросов.

Не приобретает ли Вселенная за счёт наблюдений то, что люди называют объективной реальностью?

Способен ли наблюдатель влиять на наблюдаемые им свойства Природы?

И если да, то напрашивается вывод о том, что наблюдаемая Вселенная такова, потому что существует человек. Это крайне ответственное предположение.

В моей концепции все люди на Земле – равноправные наблюдатели, независимо от пола, возраста, вероисповедания и социального статуса, потому что являются разумными существами во Вселенной, заполненной неживой материей. Такой подход представляет собой пример абсолютной, истиной толерантности, куда более ценной, чем даже некие незыблемые «традиционные» религиозные, нравственные, правовые или демократические принципы и постулаты.

Правда, здесь есть один крайне важный нюанс. Даже не нюанс, а стратегический вопрос: насколько, и с чьей точки зрения, должен быть разумен «истинный» наблюдатель?

Например, если мы посадим за пульт принимающего устройства маленького ребёнка трёх лет от роду, то, совершенно очевидно, он выступит лишь дополнительным передаточным звеном между бездушным неразумным аппаратом и «надлежаще разумным» экспериментатором в лице взрослого человека.

То есть, передать мне бумажку с текстом, дискету или флешку ребёнок, конечно, способен. Но он пока что абсолютно не готов самостоятельно дешифровать смысл передаваемой информации.

Как только мы осознаём этот факт, то сразу же появляется следующий совершенно потрясающий вопрос.

А мы-то сами, отдельные люди и человечество в целом, не являемся ли просто передаточным звеном между фиксацией данных и «истинными» наблюдателями?

Более того, не исключено, что «истинный» наблюдатель вообще только один во Вселенной. И такое допущение совершенно не противоречит ни одной традиционной научной теории.

Есть над чем задуматься.

Глава 5. Инфляционное расширение пространства

Сегодня не осталось сомнений, что начало нашему миру положил Большой Взрыв. Однако, традиционная теория происхождения космоса не даёт ответы на ряд принципиальных вопросов. Вот пять главных:

1.Почему Вселенная такая большая?

2.Почему Вселенная расширяется?

3.Почему Вселенная такая однородная и её разные части столь похожи друг на друга?

4.Почему пространство во Вселенной плоское?

5.Почему в первые моменты жизни Вселенная была очень горячей?

Ответы на эти вопросы дала инфляционная космология, или, проще говоря, теория инфляции.

Она была сформулирована в 1979 году Алексеем Старобинским³ и Аланом Гутом⁴. Через несколько лет теория была развита в работах Андрея Линде⁵, Андреаса Альбрехта⁶ и Пола Стейнхардта⁷.

Согласно этому представлению, спустя всего 0.00000000000000000000000000000000001 секунды после Большого Взрыва Вселенная пережила стадию мгновенного расширения – инфляцию. За этот неуловимый промежуток времени космос одномоментно расширился минимум в 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 раз.

Чтобы понять, насколько это много, представьте себе, что точка в конце предыдущего предложения мгновенно стала размером с целую галактику.

То есть, за микроскопический период времени Вселенная увеличилась больше, чем за все последующие 14 млрд. лет своей эволюции. Космос расширился с невообразимо огромной скоростью. Инфляция разнесла разные участки неба на гигантские расстояния.

На первый взгляд, кажется, что эта модель противоречит теории относительности Эйнштейна, согласно которой ничто не способно перемещаться быстрее скорости света. Но это не так.

Быстрее света не могут двигаться только материальные тела. А во время инфляции расширяется пространство. Поэтому ограничение, связанное со скоростью света, не действует. При инфляции «перемещается» нематериальная граница области пространства.

Этот механизм продолжает работать и в настоящее время.

Мы наблюдаем, что расстояние от Земли до далёких галактик постоянно увеличивается. Кажется, что скопления звёзд разлетаются друг от друга. На самом деле расширяется пространство между галактиками, а сами они остаются практически неподвижными.

Что же способствовало столь стремительному «разбуханию» космоса?

Ответ состоит в том, что в первые моменты своего существования Вселенная была заполнена инфлатоном, особым полем, обладающим рядом необычных свойств. Главное из них заключается в том, что, при расширении, поле инфлатона не теряет плотность своей энергии. Это ключевой момент.

Из школьной программы физики все знают, что при обычном существенном расширении газ теряет значительное количество энергии и резко охлаждается. По такому принципу, например, работает обычный холодильник, компрессор которого вначале сжимает газ, а потом выпускает его через клапан, вследствие чего в камере понижается температура.