Педро Феррейра Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности

Глава XI Тёмная Вселенная

В то время обсуждались две совершенно разные темы. С одной стороны, история и эволюция Вселенной, рассказанная Фридманом и Леметром. Они объясняли, как менялись пространство, время и материя в самом крупном из возможных масштабов. На другой чаше весов находились объекты интереса астрономов — галактики и галактические скопления. Эти галактики были частью Вселенной, но их наличие казалось почти несущественным и не связанным с фундаментальным расширением и структурой Вселенной.

Они напоминали яркие цветные световые завитушки, нарисованные на пространстве-времени. Разумеется, галактики давали много информации о Вселенной, например о скорости ее расширения или о количестве содержащейся в ней материи. Но глядя на небо, Пиблс ощущал, что галактикам следует отвести больше места, — он был убежден, что они должны играть ключевую роль в эволюции и крупномасштабной структуре Вселенной, с этим же должно быть связно и их происхождение. Галактики, все эти великолепные пятна света, газ и звезды, задним числом брошенные в пространство-время, не могли появиться из ничего.

Значит, галактики должны были играть некую роль в общей теории относительности Эйнштейна. Вопрос был в том, какую. Для Пиблса это была идеальная задача: сложная открытая проблема, которой практически никто не хотел заниматься. Роль гравитации в формировании отдельных галактик очевидна. Совокупность материи сжимается под действием собственной силы тяжести. Если материи достаточно много, ее кинетической энергии хватает на то, чтобы остановить сжатие в определенной точке, в которой итоговый конгломерат превращается в управляемую собственной силой тяжести галактику. Намного менее понятной для Пиблса была связь гравитационных эффектов при формировании отдельной галактики с ролью гравитации при расширении Вселенной. На эту связь указывал аббат Леметр.

Задумывался о механизме формирования галактик в расширяющейся Вселенной и русский теоретик Георгий Гамов. Но ни один из них не смог подтвердить свои гипотезы соответствующими вычислениями. В 1946 году один из учеников Ландау, Евгений Лившиц, взял уравнения Эйнштейна и попытался связать происходящее в масштабе Вселенной с происходящим в намного меньшем масштабе отдельных галактик. Его результат дал представление о том, каким образом могла бы возникать крупномасштабная структура Вселенной: небольшая рябь в пространстве-времени начинает развиваться и расти в соответствии с его уравнениями; и в областях высокой кривизны формируются и группируются галактики, образуя крупные структуры, которые мы можем наблюдать в наши дни.

Работая над поведением атомов и света в изначальной Вселенной, Пиблс понял, что новые данные способны объяснить механизм формирования галактик после Большого взрыва. Приблизительно оценив возраст Вселенной; плотность атомов и температуру реликтового излучения, Пиблс обнаружил, что масса сколлапсировавших структур, таких как Млечный Путь; могла бы составлять от миллиарда до сотен тысяч миллиардов масс Солнца. Как ранее предположил Гамов, Вселенная на ранних стадиях развития казалась идеальным для возникновения галактик местом. В своих попытках детально понять процесс формирования галактик Пиблс был не одинок. Аспирант из Гарварда Джозеф Силк утверждал, что коллапсирующие сгустки, в конечном счете сформировавшие галактики, должны были оставить свой след в первичном огненном шаре — слабую мешанину горячих и холодных областей в недавно открытом Пензиасом и Вильсоном реликтовом излучении.

Результатам Силка вторили Райнер Сакс и его студент Артур Вольфе в Остине, обнаружившие, что даже в самом большом масштабе на реликтовое излучение будет влиять гравитационное сжатие всей материи во Вселенной. К аналогичному заключению пришла и группа Якова Зельдовича в Советском Союзе. Они показали, что по пульсациям реликтового излучения, сохранившегося с момента, когда возраст Вселенной насчитывал всего несколько сотен тысяч лет, можно смоделировать первые мгновения, приведшие к формированию галактик. Такими вот разными и несогласованными путями физическая космология Гамова и Пиблса начала приносить свои первые плоды. Пиблс хотел объяснить расширение Вселенной — горячее начало, первичный огненный шар, атомы, гравитационный коллапс — в терминах базового учебника физики, скомбинировав общую теорию относительности с термодинамикой и законами распространения света.

Вместе с Джер Ю, своим аспирантом из Гонконга, он написал полный набор уравнений, позволяющих проследить за эволюцией Вселенной от первых моментов после Большого взрыва до наших дней. Вселенная Пиблса начиналась с однородного горячего состояния, в котором практически отсутствовали импульсы, возмущающие изначальную смесь газа и света. Но по мере своего развития эти возмущения наталкивались на давление со стороны беспорядочной липкой плазмы, состоящей из свободных электронов и протонов. Вселенная шла волнами, как поверхность пруда, пока электроны и протоны не объединились друг с другом, сформировав водород и гелий. После этого наступила следующая стадия: атомы и молекулы стали собираться в группы, сжимаясь под действием силы тяжести, образуя рассеянные по пространству-времени крупицы массы и света. Это были возникшие после Большого взрыва галактики и галактические скопления.

В модели Пиблса и Ю способ распределения галактик по пространству-времени, определяющий крупномасштабную структуру Вселенной, несет на себе отпечаток горячего начала Вселенной. Оставшееся от Большого взрыва реликтовое излучение, температура которого, согласно измерениям Пензиаса и Вильсона, равна всего 3° Кельвина, должно нести отголосок небольших импульсов, ставших причиной формирования галактик. Решая уравнения Вселенной как согласованное единое целое, Пиблс и Ю нашли новый мощный способ изучения общей теории относительности Эйнштейна: наблюдать, как галактики распределяются в пространстве, образуя крупномасштабную структуру Вселенной, и использовать эту информацию для построения модели начала и развития пространства-времени.

Это была яркая, захватывающая интерпретация, но результаты Пиблса и Ю встретили молчанием. «На нашу статью никто не обратил внимания», — вспоминает Пиблс. Объединив различные области физики, Пиблс и Ю забрели туда, где еще никто не был. Их работу нельзя было однозначно отнести к астрономии, общей теории относительности или фундаментальной физике. С точки зрения Пиблса, отсутствие реакции было в порядке вещей. Он продолжал работать над теорией Вселенной, периодически привлекая к своим странным изысканиям какого-нибудь студента или молодого коллегу, но по большей части проводя свои вычисления самостоятельно. Когда Пиблс занялся моделью Вселенной, ему потребовались экспериментальные данные, чтобы понять, в верном ли направлении он двигается.

В начале 1950-х работающий в Техасе французский астроном Жерар де Вокулер, просматривая заслуживающий внимания каталог Шепли-Эймса, включающий в себя свыше тысячи галактик, обнаружил растянутый по небу «поток галактик», превышающий любое скопление и больше напоминающий «сверхскопление», или «сверхгалактику». Эту работу принимали не очень хорошо. Астроном из Калтеха Вальтер Бааде пренебрежительно отзывался о результатах Вокулера, сказав: «Доказательств существования сверхгалактик нет», так же как и Фриц Цвики, который попросту заявил: «Сверхгалактик не бывает».

Скептически отнесся к данным Вокулера и Пиблс, но как вспоминает один из его студентов, он придерживался взглядов своего учителя Боба Дикке, гласивших, что «хорошее наблюдение стоит больше еще одной посредственной теории». Поэтому вместе со своими протеже он решил самостоятельно нанести на карту крупномасштабные структуры. А когда молодые исследователи из Гарварда Марк Дэвис и Джон Хукра и в самом деле обнаружили в создаваемых ими более четких обзорах галактик плотные вкрапления, Пиблс был «ошарашен». Как он признавался: «Я написал ряд ядовитых статей с примерами из прошлого, демонстрирующими, как астрономов вводила в заблуждение тенденция... находить в шумах регулярные структуры. Было ясно, что требовалось понять механизм формирования структур».