Еволюція теорії великого вибуху

1. Проблема горизонту - чи є відповіддю інфляційна модель?
2. Проблема площині - чи є відповіддю інфляційна модель?
3. Проблема однорідності - вирішує її перегляд теорії великого вибуху?
4. Потрібна бо'льшая швидкість розширення? Значить потрібно переглянути старі дані!
5. Космологічна стала - помилка чи реальність?
6. Новітня теорія струн
7. Ще один епіцикл?

Денні Р. Фолкнер

Коли теорія великого вибуху була запропонована вперше, вона часто ставала об'єктом насмішок. Однак за останні десятиліття виявилося, що ця теорія дуже податлива і здатна змінювати свою форму, адаптуючись до будь-якої виникає проблеми. Чи дійсно ці зміни є удосконаленнями, або ж це всього лише засоби порятунку?

У креационистских колах часто можна почути думку, що в моделі великого вибуху повно невідповідностей, а сама теорія знаходиться в стані кризи. Але як сказав Марк Твен, почувши звістку про свою смерть, «ці чутки явно перебільшені». Однак зовсім не з тих причин, про які ви могли б подумати.

Коли теорія великого вибуху була запропонована вперше, вона була мало популярна, а прорив в її розвитку припадає на 1964 рік, коли астрономи відкрили мікрохвильове фонове випромінювання. Теорія великого вибуху передбачала наявність такого мікрохвильового випромінювання, тоді як конкуруюча модель, теорія «стаціонарного Всесвіту», його не припускала. Вважається, що це фонове випромінювання залишилося з часів кількох сотень тисяч років після Великого вибуху, коли Всесвіт був ще гарячий.

Таким чином, теорія великого вибуху стала серед космологів домінуючою теорією історії виникнення Всесвіту. З тих пір виникали нові спостереження та ідеї, які ставили під сумнів теорію великого вибуху. Але замість того, щоб відмовитися від неї, космологи і астрономи на кожну нову проблему відповідали модифікаціями самої теорії. І в результаті теорія великого вибуху перетворилася в щось дуже мало схоже на цю ж теорію в її першому викладі. Багато людей вважають ці модифікації удосконаленнями, але чи дійсно це так?

Проблема горизонту - чи є відповіддю інфляційна модель?

Всупереч думці про те, що мікрохвильове фонове випромінювання є доказом теорії великого вибуху, його відкриття стало невичерпним джерелом проблем для традиційної космології традиційної космології . І однією з труднощів є проблема горизонту. Ніхто не передбачає, що Всесвіт, що зародилася від великого вибуху, всюди мала однакову температуру. Якщо поглянути на Всесвіт в одному напрямку, наприклад, прямо на схід, ви отримаєте випромінювання з віддаленого регіону (назвемо його регіон А), і астрономи стверджують, що він досяг Землі тільки зараз, через 13 мільярдів років, що становлять передбачуваний вік Всесвіту. Якщо ж поглянути в протилежному напрямку, наприклад, прямо на захід, ви побачите випромінювання, що виходить з іншого місця (назвемо його регіоном В). Ми побачимо, що випромінювання з точок А і В має практично одну і ту ж температуру. Однак це не повинно бути так, оскільки у цих двох регіонів ще не було часу, щоб обмінятися енергією і зрівняти температуру.

Між цими двома точками не міг встановитися «термальний контакт», оскільки вони знаходяться на відстані в 26 мільярдів світлових років один від одного. Так чому ж вони все-таки мають однакову температуру? Це питання виникає щоразу, незалежно від напрямку, в якому ми подивимося.

Приблизно тридцять років тому космологи спробували вирішити цю проблему за допомогою інфляційної моделі. Інфляція в космології - це гіпотетичне гіпер-розширення (набагато більш інтенсивне в порівнянні зі швидкістю світла), що мало місце в ранні періоди історії Всесвіту. 1 Це означає, що Всесвіт до інфляції повинна була мати неймовірно малі розміри, і весь Всесвіт могла знаходиться в термальному контакті сама з собою. Це могло б пояснити, чому в ранньому Всесвіті встановилася однорідна температура.

Проблема площині - чи є відповіддю інфляційна модель?

Інфляційна модель була придумана також і для того, щоб пояснити ще одну трудність - проблему площині. У міру розширення Всесвіту співвідношення гравітаційної потенційної енергії і кінетичної енергії (яка позначається грецькою буквою омега) змінюється. Після мільярдів років розширення це співвідношення має або дорівнювати нулю, або складати величезну кількість. Однак вимірювання показують, що дане співвідношення становить не набагато менше 1. В космології великого вибуху це передбачає, що значення омеги спочатку становила майже точно 1, на відміну від нескінченної кількості інших можливостей. Через це Всесвіт здається вельми малоймовірною.

Отже, інфляційна модель - це їх рятувальний круг. Якщо припустити, що інфляція сталася на ранній стадії існування Всесвіту, її значення повинно було зрости практично до 1, де це було необхідно, і з цієї точки воно могло зменшитися лише незначно, навіть через мільярди років. Не існує незалежних доказів того, що інфляція насправді існує - не рахуючи того факту, що вченим просто необхідно, щоб вона мала місце. Однак астрономи практично в усьому світі вважають, що це дійсно було так, адже інакше в них не буде ніякого іншого способу вирішити проблему горизонту і площини.

Проблема однорідності - вирішує її перегляд теорії великого вибуху?

Ще одна проблема, пов'язана з фоновим випромінюванням, полягає в тому, що воно має практично ідеально однорідну структуру. Сьогодні ми спостерігаємо у Всесвіті ієрархічну структуру, в якій матерія зібралася в зірки, які, в свою чергу, організувалися в галактики і в скупчення галактик. Одним словом, Всесвіт складається з брил, але ніяк не однорідна.

Щоб пояснити цю грудкувату структуру, космологам знадобилося, щоб матерія в ранньому Всесвіті була ідеально однорідною (гомогенної), але щоб в ній були ділянки дещо більшою щільності (негомогенная Всесвіт). Ці більш щільні ділянки виступили в ролі гравітаційних зерен, притягує до себе навколишні матеріали, в результаті чого з'явилася структура, яку ми спостерігаємо сьогодні.

Як би не прикро це було для даної теорії, ці неоднорідності повинні були бути строго визначених розмірів, не надто малі і не дуже великі. Якби рання Всесвіт була занадто однорідна, структур, які ми спостерігаємо сьогодні, не було б (як не було б і нас). Однак якби неоднорідність була занадто відчутна, практично вся матерія перетворилася б в масивні чорні діри, і, знову ж, структур, які ми спостерігаємо сьогодні, не було б (як не було б і нас). Такі жорсткі рамки неоднорідності структури потрібні тільки для Всесвіту, що з'явилася в результаті великого вибуху мільярди років тому, але не для Всесвіту, створеної за шість звичайних днів, як це описано в 1 розділі книги Буття.

Такі необхідні неоднорідності також залишили б свій відбиток на фоновому космічному випромінюванні, так само як і різниці в температурі. Космологи висловили припущення, якого роду різниці в температурах це повинні були бути: 1/10 000. Більш ніж два десятиріччя тому ці вчені запустили супутник COBE (Cosmic Background Explorer), щоб виміряти ці різниці в температурі, але в результаті виявили ідеально однорідне фонове випромінювання.

І тільки після ретельних маніпуляцій з даними вчені знайшли докази різниць температур фонового випромінювання, однак набагато меншого порядку, ніж передбачалося, і ці різниці, як виявилося, знаходяться за межами можливостей визначення супутником (1/100 000). Ці дані були підтверджені більш ретельними дослідженнями, проведеними в ході місії космічного апарату WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), запущеного десять років тому, а також даними місії космічної обсерваторії Планк, запущеної в космос в цьому році.

Однак багато вчених і сьогодні заявляють, що припущення теорії відмінно підтверджуються отриманими даними. Як вони можуть це стверджувати? Після того, як теорії не вдалося передбачити дані з достатньою точністю, космологи змінили деталі самої теорії таким чином, щоб вони відповідали отриманим даним.

Потрібна бо'льшая швидкість розширення? Значить потрібно переглянути старі дані!

Ще одна проблема виникла два десятиліття тому, коли астрономи вирішили, що нові дані спостережень вимагають підвищення швидкості експансії Всесвіту. Більша швидкість експансії буде означати більш молодий вік Всесвіту. Приблизно з 1960-х років астрономи вважали, що вік Всесвіту налічує 16-18 мільярдів років, проте тепер вони вважають, що він становить 13.8 мільярдів років. Це було величезною проблемою, оскільки багато років астрономи вважали, що вік кульових зоряних скупчень налічує 15 мільярдів років, тобто на мільярд років старше, ніж сам Всесвіт.

Зрештою, астрономи вирішили цю проблему, переоцінивши відстані кульових зоряних скупчень. І ці нові оцінки відстаней привели до більш точним оцінками яскравості, що, в свою чергу, вплинуло на світські оцінки віку Всесвіту.

Космологічна стала - помилка чи реальність?

Майже сто років тому Альберт Ейнштейн склав модель Всесвіту, засновану на загальній теорії відносності, однак в ній була одна серйозна проблема. Вона не створювала нерозширювана і статичну Всесвіт, як він очікував. Не маючи певної сили для нейтралізації впливу гравітації, всесвіт мала зруйнуватися сама по собі.

Тому Ейнштейн вставив в свою модель поняття «космологічна стала», щоб вона відповідала його ідеї про те, як повинна функціонувати Всесвіт. По суті, космологічна стала - це відштовхування простору всередині самого себе. Обравши відповідну величину для космологічної сталої, Ейнштейн вирішив, що відразлива сила космосу повинна повністю збалансувати притягає силу гравітації, що має привести до статичному стану Всесвіту.

Коли нові факти вказали на те, що, можливо, Всесвіт зовсім і не статична, він тут же відмовився від космологічної сталої, назвавши її найбільшою з допущених ним помилок. Це проклало шлях теорії великого вибуху, яка, в загальному сенсі, не брала до уваги цей ефект.

Однак Ейнтшейн був занадто суворий до себе. У 1998 і 1999 роках астрономи отримали дані, що вказують, на їхню думку, на щось, що змушує швидкість розширення Всесвіту збільшуватися. Яскравість Супернова типу Ia на екстремально далекій відстані не відповідає яскравості, яку слід було б очікувати на такій відстані. А це передбачає наявність постійної швидкості розширення. Для пояснення цього дивного явища була придумана темна енергія. Темна енергія дещо відрізняється від космологічної сталої, оскільки сила відштовхування з часом змінюється, тоді як космологічна постійна не змінюється. Нам досі невідомо, яке з цих понять правильно, або ж існує зовсім інше пояснення несподіваного співвідношення світлосили і червоного світіння віддаленій Супернова типу Ia. Тому теорії великого вибуху довелося адаптуватися до ще одного відкриття. Хто знає, що буде далі?

Насправді, з 1930 років з'являється все більше доказів того, що більшу частину Всесвіту становить темна матерія. Тобто, велика частина маси Всесвіту не випромінює світла або будь-якого іншого піддається виявленню випромінювання. А це передбачає існування певної форми матерії, яка нам поки що не відома. Минуло багато років, перш ніж космологи сприйняли це всерйоз, і лише з недавніх пір астрономи стали включати темну матерію в свої теорії, в тому числі і в теорію великого вибуху.

Новітня теорія струн

І, нарешті, теорія струн - нова ідея, придумана фізиками-теоретиками (а зокрема фізиками елементарних частинок) для того, щоб пояснити всі інші таємниці функціонування матерії. Певні характеристики елементарних частинок найпростіше пояснити, якби у Всесвіті було як мінімум шість додаткових просторових вимірів - вимірювань, які ми зазвичай не здатні побачити. Доказів цьому немає, тому буде краще назвати це гіпотезою струн, а не теорією струн.

Якщо ця гіпотеза вірна, значить, вченим слід включити її в свої трактування теорії великого вибуху. Тому в останні роки космологи почали включати в свої моделі теорію струн.

Буде дуже повчально порівняти сучасну модель великого вибуху з цієї ж теорією тридцятирічної давності. В ті часи середня швидкість розширення, а значить, і передбачуваний вік Всесвіту набагато відрізнялися від сьогоднішніх. Раніше в моделі не була присутня інфляція, а сьогодні ми вже і не подумали б про те, що її можна не врахувати. Те ж саме стосується і темної матерії, темної енергії і теорії струн. Коротенько кажучи, в сучасній теорії великого вибуху не залишилося практично нічого спільного з цією ж теорією тридцять років тому.

Теорія, здатна пояснити все і вся, скільки б це не викликало протиріч, насправді не є науковою.

Який же буде теорія великого вибуху через тридцять років? Якщо історія вчить нас чогось, то напевно можна сказати дві речі. Перше, ця модель через тридцять років буде дуже сильно відрізняться від сьогоднішньої. Друге, вчені в майбутньому, точно так же, як в минулому і в сьогоденні, будуть відчувати повну впевненість в тому, що ця модель правильна, навіть якщо всі три варіанти будуть суперечити одна одній.

Багато вчених на сьогоднішній день вважають, що теорія великого вибуху дуже успішна в тому, що вона здатна пояснити будь-які нові спостереження і виникають проблеми. Однак це робиться за допомогою нескінченних приписок, які стають рятівним колом. Але якщо наукову теорію можна вільно виправляти, щоб підлаштувати під виникають проблеми, то як взагалі можна довести, що будь-яка теорія неспроможна? Для науки дуже важливо, щоб можна було довести неспроможність будь-якої ідеї, по крайней мере, гіпотетично. Теорія, здатна пояснити все і вся, скільки б це не викликало протиріч, насправді не є науковою.

Ще один епіцикл?

Життєвий цикл теорії великого вибуху цікавим чином перегукується з ще однією, більш старої і знаменитої теорією. У другому столітті Клавдій Птолемей запропонував космологічну теорію, покликану пояснювати складні переміщення Сонця, Місяця і планет. Модель Птолемея складалася з серії кіл, які називаються епіциклами. Птолемей вважав, що якщо правильно підібрати розміри кіл і швидкості руху, у нього вийде підлаштувати модель під наявні дані.

Ця теорія вважалася дуже успішною, і повсюдно вважалася правильною протягом 15 століть. З точки зору тривалості життя, жодна інша теорія в історії науки навіть не наблизилася до цього рекорду. Протягом усіх цих століть виникали деякі невідповідності між теорією і спостереженнями, проте виявлялося, що можна усунути ці проблеми, підправив теорію за допомогою додавання більшої кількості епіциклів. До закінчення епохи середньовіччя в деяких версіях моделей Птолемея налічувалося сто або більше додаткових епіциклів.

Хоча саме ці нескінченні модифікації і були причиною успіху теорії Птолемея, в кінці кінців, вони співслужив погану службу і теорію стали повсюдно відкидати, як занадто складну і нескладну. Постійні модифікації моделей теорії великого вибуху починають нагадувати цей епіцикл. Чи довго вона ще протягне?

Доктор Денні Фолкнер став одним із співробітників організації «Відповіді в книзі Буття» після того, як 26 років пропрацював процесором фізики і астрономії державного університету штату Південна Каліфорнія, Ланкастер. Він є автором багатьох статей в астрономічних журналах, а також автором книги «Всесвіт за задумом».