Научный взгляд на устройство вселенной

ЧТО ВЕЛИКО ДЛЯ ТЕБЯ, МАЛО ДЛЯ МЕНЯ 443
вероятно стремительного расширения и росла экспоненциально. 
Это значит, что за фиксированное время размер Вселенной удво-
ился, затем снова удвоился за то же время — и так не менее 90 раз 
подряд, пока инфляционная эпоха не закончилась и Вселенная 
не стала такой однородной, какой мы видим ее сегодня. Такое экс-
поненциальное расширение означает, к примеру, что за то время, 
пока возраст Вселенной увеличился в 60 раз, ее размеры выросли 
более чем в триллион триллионов триллионов (10
36
) раз; без ин-
фляции же они выросли бы за то же самое время всего лишь в во-
семь раз. В определенном смысле инфляция стала началом развития 
от малого к большому. Первоначальное громадное инфляционное 
расширение должно было «развести» субстанцию из вещества и из-
лучения Вселенной до практически нулевой концентрации. Поэ-
тому все, что мы сегодня наблюдаем во Вселенной, должно было 
возникнуть сразу после инфляции, когда энергия, питавшая инфля-
ционный взрыв, превратилась в вещество и излучение. Лишь в этот 
момент времени начался Большой взрыв в его традиционном пони-
мании — и Вселенная начала дальнейшее неспешное расширение 
в ту громадную структуру, которую мы видим сегодня.
Можно говорить об инфляционном расширении как о «взры-
ве-предвестнике» того дальнейшего развития Вселенной, которое 
шло по стандартному сценарию Большого взрыва. На самом деле 
это не начало — мы не знаем, что происходило, когда основную 
роль играла квантовая гравитация, — но это тот момент эволюции 
Вселенной, вслед за которым началась стадия Большого взрыва 
с охлаждением материи, а затем и формированием из нее крупных 
космических объектов.
Отчасти именно инфляции мы обязаны тем, что во Вселенной су-
ществуют самые разные объекты, а не сплошное «ничто». Часть энер-
гии громадной плотности, накопленной во время инфляционного 
расширения, превратилась (согласно формуле 
E = mc
2
) в вещество, 
из которого, собственно, и сформировалось все, что мы сегодня видим 
вокруг. Физики хотели бы все же узнать, почему во Вселенной больше 
вещества, чем антивещества. Но каков бы ни был ответ на этот во-
прос, нынешнее вещество согласно теории Большого взрыва начало 
эволюционировать сразу же после окончания космической инфляции.

444 МАСШТАБИРОВАНИЕ 
ВСЕЛЕННОЙ
Инфляционная модель решала важные проблемы традици-
онной теории Большого взрыва, но мало кто из ученых поверил 
в предложенные сценарии возникновения инфляции. Поскольку 
создать достоверную модель было чрезвычайно трудно, многие 
физики (включая и тех, кто работал в то время в Гарварде, где 
я училась) сомневались в том, что эта странная идея может ока-
заться верной. С другой стороны, Андрей Линде, физик русского 
происхождения из Стэнфордского университета и один из первых, 
кто начал работы по инфляции, считал, что эта гипотеза должна 
быть верна просто потому, что никто не нашел никакого иного ре-
шения загадок, связанных с размером, формой и однородностью 
Вселенной, — загадок, на которые с легкостью отвечала инфля-
ционная теория.
Инфляция, кстати говоря, может служить интересным при-
мером связи между истиной и красотой — или отсутствия такой 
связи. С одной стороны, экспоненциальное расширение Вселен-
ной красиво и легко объясняет многие явления, связанные с на-
чальным этапом ее существования, а с другой — поиски теории, 
которая естественным образом объясняла бы экспоненциаль-
ное начальное расширение, приводит, как правило, к созданию 
не слишком красивых моделей.
В последнее время, однако, большинство физиков склоняется 
к тому, чтобы принять инфляционную модель, хотя обоснования 
ее корректности по-прежнему многих не устраивают. Наблюдения 
последних нескольких лет подтвердили космологическую карти-
ну Большого взрыва, предваряемого инфляцией. Сегодня многие 
физики уверены, что и развитие по схеме Большого взрыва, и ин-
фляция имели место, поскольку предсказания, сделанные на ос-
нове этих теорий, оправдываются с впечатляющей точностью. Во-
прос о том, какая модель лежит в основе инфляции, по-прежнему 
остается открытым, но сама по себе экспоненциальная инфляция 
в настоящее время подтверждается достаточным количеством 
свидетельств.
Одно из свидетельств в пользу космологической инфляции 
должно иметь отношение к отклонениям от равномерного распре-
деления реликтового излучения по небесной сфере, о котором упо-

ЧТО ВЕЛИКО ДЛЯ ТЕБЯ, МАЛО ДЛЯ МЕНЯ 445
миналось в предыдущей главе. Фоновое излучение сообщает нам 
далеко не только о том, что Большой взрыв на самом деле имел 
место. Прелесть ситуации в том, что, поскольку это излучение, 
по существу, представляет собой мгновенный снимок состояния 
Вселенной на раннем этапе развития — до того, как успели сфор-
мироваться звезды, — оно позволяет нам заглянуть в прошлое 
и увидеть начало структурирования в тот момент, когда Вселенная 
еще была однородной. Измерения реликтового излучения позво-
лили выявить крохотные отклонения от идеальной равномерно-
сти. Инфляционная модель предсказывает такие неоднородности, 
поскольку из-за квантово-механических флуктуаций инфляция 
в разных областях Вселенной прекратилась в разное время, отчего 
и возникли крохотные отклонения от идеальной однородности.
Спутник под названием WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy 
Probe), названный в честь одного из инициаторов проекта прин-
стонского физика Дэвида Уилкинсона и нацеленный на поиск 
анизотропии микроволнового фона, провел точные измерения, 
позволившие отличить инфляционные предсказания от прочих 
возможных вариантов. Несмотря на то что инфляция протекала 
давным-давно и к тому же при невероятно высоких температу-
рах, инфляционная теория точно предсказывает статистические 
закономерности распределения температурных вариаций, кото-
рые должны проявляться в реликтовом излучении сегодня. Эта 
обсерватория измерила небольшие неоднородности температуры 
и плотности энергии с большей точностью и более высоким угло-
вым разрешением, чем прежде, и распределение этих параметров 
вполне совпало с инфляционными ожиданиями.
Главным подтверждением инфляционной теории, полученным 
от WMAP, стало измерение кривизны Вселенной, а точнее — ее 
удивительной прямизны. Эйнштейн учил, что наше простран-
ство может быть искривлено (на рис. 73 можно увидеть приме-
ры искривленных двумерных поверхностей). Степень кривизны 
зависит от плотности энергии во Вселенной. В те времена, когда 
была впервые предложена инфляционная теория, было уже из-
вестно, что Вселенная на самом деле искривлена намного мень-
ше, чем можно было ожидать, но измерения в то время были не-

446 МАСШТАБИРОВАНИЕ 
ВСЕЛЕННОЙ
достаточно точными и проверить инфляционное предсказание 
(инфляционная теория утверждает: Вселенная расширилась на-
столько, что любое искривление растянулось практически в нуль) 
было невозможно. На сегодняшний день измерения реликтового 
излучения показали, что Вселенная на самом деле плоская с точ-
ностью до одного процента, — и понять это без дополнительных 
физических объяснений очень трудно.
Плоская поверхность 
с нулевой кривизной
Седловидная поверхность 
с отрицательной кривизной
Сферическая поверхность 
с положительной кривизной
РИС
. 73.
Нулевая, положительная и отрицательная кривизна дву-
мерных поверхностей. Вселенная тоже может быть искривлена, 
но в четырехмерном пространстве-времени, что трудно изобразить 
на бумаге
Отсутствие у Вселенной заметной кривизны стало громадной 
победой инфляционной космологии. Если бы дело обстояло иначе, 
инфляционную теорию можно было бы исключить. Данные WMAP 
стали и большой научной победой. Когда теоретики впервые 
предложили точно измерить микроволновой фон и поближе по-
знакомиться, таким образом, с геометрией Вселенной, все сочли, 
что это, конечно, очень интересно и заинтересует научное сообще-
ство, но слишком сложно технически, чтобы проект можно было 
осуществить в обозримом будущем. Однако вопреки ожиданиям 
не прошло и десяти лет, как космологи провели необходимые изме-
рения и снабдили научный мир ценнейшими данными. Мы узнали 
об эволюции Вселенной множество поразительных фактов. WMAP 
и сегодня продолжает давать новые результаты, проводя на небес-
ной сфере детальные измерения тончайших температурных вариа-

ЧТО ВЕЛИКО ДЛЯ ТЕБЯ, МАЛО ДЛЯ МЕНЯ 447
ций. Спутник Planck, действующий сегодня, измеряет эти флуктуа-
ции еще точнее*. Исследования реликтового излучения оказались 
бесценным и главным источником сведений об истории ранней 
Вселенной и, скорее всего, еще долго будут им оставаться.
Недавние подробные исследования космического излучения, 
пронизывающего пространство с древнейших времен, позволили 
добиться громадных успехов и в других областях наших знаний 
о Вселенной и ее эволюции. Данные об излучении сообщили нам 
много нового о веществе и энергии вокруг нас. Мало того, что мы уз-
нали, в каком состоянии была Вселенная, когда это излучение толь-
ко начинало свой путь к нам; реликтовое излучение рассказало нам 
и о том, что встречало в пути. Если бы Вселенная изменилась за по-
следние 13,75 млрд лет или если бы ее энергия отличалась от ожида-
емой, то, как учит нас теория относительности, маршрут световых 
лучей тоже изменился бы, а следовательно, изменились бы и свой-
ства излучения, которое мы сегодня регистрируем. Микроволновое 
фоновое излучение — чувствительнейший индикатор сегодняшнего 
энергетического состава Вселенной — обеспечивает нас информа-
цией о том, что в этой Вселенной есть, в том числе о скрытой массе 
и темной энергии, о которых мы сейчас и поговорим.
СЕРДЦЕ ТЬМЫ
Помимо успешного подтверждения инфляционной теории иссле-
дование космического реликтового излучения породило несколь-
ко новых серьезных загадок, над которыми уже работают космо-
логи, астрономы и специалисты по физике элементарных частиц. 
Инфляционная теория говорит нам, что Вселенная должна быть 
плоской, но не говорит, где скрывается в настоящее время энер-
гия, необходимая для обеспечения ее плоского состояния. Однако 
при помощи уравнений Эйнштейна мы можем вычислить, какая 
энергия нужна для того, чтобы Вселенная сегодня была плоской. 
Оказывается, все известное видимое вещество обеспечивает лишь 
4% необходимой энергии.
* WMAP был запущен 30 июня 2001 г. и проработал до августа 2010 г. Обработка 
его научных данных продолжается. Planck запущен 15 мая 2009 г. — 

жүктеу/скачать 8,11 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: