Космологические коаны. Путешествие в самое сердце физической реальности

А что можно сказать о бесконечно старой, однородной, статической Вселенной конечных размеров? То есть о Вселенной конечного объема, однородно заполненной звездами? Предположив, что так может быть, вы окажетесь в хорошей компании: после создания теории гравитации именно эту космологическую модель сначала предложил Эйнштейн. Но она оказалась совершенно непригодной! Очевидно, что и такая Вселенная неизбежно будет заполняться излучением все бесконечное время своей жизни. Она тоже падет жертвой парадокса Ольберса, поскольку и в этой модели линия зрения, петляя по Вселенной, рано или поздно наткнется на звезду. (Непонятно, почему Эйнштейн не сразу заметил столь существенный недостаток своей космологии. Эта поучительная история показывает, как даже лучшим из нас трудно отойти от своих исходных предположений.)

Итак, что еще может быть? Допустим, мы отказываемся от предположения, что Вселенная бесконечно стара. А что получится, если считать, что Вселенная неизменна, но возраст ее конечен? Это подойдет! Когда мы смотрим в каком-то направлении, заглядывая все дальше и дальше, мы также смотрим в прошлое, назад по времени. В конце концов мы выйдем за пределы космического времени, туда, где нет звезд. В этой модели отсутствует бесконечное время для накопления энергии, которая заполнит все пространство. Парадокс разрешен. Однако если такая Вселенная еще и неизменна, возникает другая парадоксальная проблема: как нечто неизменное неожиданно может начаться? Это кажется абсолютно противоестественным.

Ладно! Попробуем оставить Вселенную бесконечной во времени, но, вслед за Галилеем на прогулке, предположим, что Вселенная не является статической, а расширяется. То есть представим себе, что с течением времени к Вселенной постоянно добавляется новое пространство. Если Вселенная конечна, то ее объем должен увеличиваться, если же космический объем бесконечен, то заполняющая ее материя должна быть разреженной, поскольку добавляется больше объема. Это кажется многообещающим: если продолжать увеличивать объем, то даже при непрерывном излучении звезд всегда можно полагать, что объем достаточно велик, чтобы оно (излучение) в нем не слишком накапливалось. Однако, похоже, такая Вселенная очень вскоре нам наскучит: все ее содержимое, которое становится все более разбавленным, исчезнет, и останется по сути пустое пространство. Чтобы подобная Вселенная оставалась интересной в течение бесконечного времени, в ней должна каким-то образом непрерывно генерироваться новая материя — для заполнения пустот, остающихся в результате расширения. В такой Вселенной, чтобы сбалансировать создание нового объема и создание новой материи, требуется поддерживать среднюю плотность приблизительно постоянной. Тогда Вселенная может существовать вечно практически в одном и том же состоянии. Отсюда следует побочный результат: если Вселенная и не бесконечна, она вполне могла бы быть таковой — ее объем постепенно может стать сколь угодно большим.

Эта последовательность рассуждений в 40-х — 70-х годах прошлого века привела группу космологов к космологической модели, известной как теория стационарной вселенной — бесконечной, вечной, неизменной, но расширяющейся Вселенной, где непрерывно создается новая материя. Эта теория позволяет разрешить парадокс Ольберса[92]; хотя она и несколько искусственна, но самосогласованна и во многих отношениях красива. У нее есть только один недостаток: реальная вселенная, которую наблюдают астрономы, не такая.

Так что же мы видим на самом деле? Вернемся из космического прошлого в космическое настоящее. Космологические наблюдения указывают на вселенную, которая является однородной, как рассмотренные ранее, расширяющейся, как в теории стационарной вселенной, но при этом эволюционирующей: ее плотность уменьшается со временем. С помощью инструментов, не доступных Галилею или Ольберсу, такой космологический сценарий, модель большого взрыва, был разработан за несколько десятилетий.