Кратчайшая история времени - Стивен Уильям Хокинг

останавливается. После этого галактики начинают двигаться назад, навстречу друг другу, и Вселенная сжимается. В решении второго типа Вселенная расширяется настолько быстро, что взаимное притяжение галактик не в состоянии когда-либо остановить расширение, хотя и несколько замедляет его. Наконец, есть третий тип решений, когда Вселенная расширяется как раз с такой скоростью, чтобы не начать сжиматься. Скорость разлета галактик все уменьшается, но никогда не достигает нуля.

Замечательное свойство модели Фридмана первого типа состоит в том, что пространство Вселенной в ней не бесконечно, но при этом не имеет границ. Тяготение в этой модели настолько сильное, что пространство оказывается замкнуто само на себя наподобие поверхности Земли, которая конечна и при этом не имеет границ. Двигаясь в определенном направлении по поверхности Земли, вы никогда не наткнетесь на непроходимый барьер, не сорветесь с края, а просто рано или поздно вернетесь в то место, с которого начали свой путь. В этой модели – то есть модели Фридмана первого типа – пространство напоминает поверхность Земли, но только у него три измерения вместо двух, как у земной поверхности. Идея кругосветного путешествия по Вселенной с возвращением в исходное положение – замечательный сюжет для научной фантастики, но особого практического значения она не имеет, так как можно показать: Вселенная успеет схлопнуться до нулевого размера до того, как вы успеете вернуться. Из-за огромных размеров Вселенной, чтобы успеть вернуться в исходную точку до конца Вселенной, придется путешествовать быстрее скорости света, а это невозможно! Во второй модели Фридмана пространство тоже искривлено, хотя и иначе. Только в третьей модели Фридмана Вселенная имеет плоскую геометрию на больших масштабах, хотя пространство искривлено в окрестности массивных объектов.

Какая же из моделей Фридмана описывает нашу Вселенную? Остановится ли когда-либо ее расширение и сменится сжатием или будет продолжаться вечно?

Оказывается, что ответить на этот вопрос гораздо труднее, чем казалось сначала. Все в основном зависит от двух факторов – современной скорости расширения Вселенной и современной средней плотности в ней, то есть количества вещества в заданном объеме пространства. Чем больше современная скорость расширения, тем сильнее должна быть сила тяготения, чтобы остановить это расширение, и поэтому тем больше должна быть плотность. Если средняя плотность превышает определенное критическое значение (определяемое скоростью расширения), то сила тяготения вещества во Вселенной рано или поздно остановит расширение, заставив Вселенную сжиматься в соответствии с первой моделью Фридмана. Если средняя плотность ниже критического значения, то силы тяготения окажется недостаточно, чтобы остановить расширение, и Вселенная продолжит расширяться вечно в соответствии со второй моделью Фридмана. Если средняя плотность Вселенной в точности равна критическому значению, то расширение Вселенной будет постоянно замедляться, а ее состояние будет постепенно приближаться к стационарному, никогда не достигая его. Такое поведение соответствует модели Фридмана третьего типа.

Ну и какой же из моделей соответствует поведение реальной Вселенной? Современную скорость расширения можно определить, измеряя с помощью эффекта Доплера скорости удаления от нас других галактик. Эти скорости можно измерить весьма точно, а вот расстояния до галактик мы знаем не так хорошо, потому что измерить их можно только косвенными методами. Так что на данный момент мы знаем лишь, что скорость расширения Вселенной составляет от 5 до 10 % в каждый миллиард лет. Но наши знания о современной средней плотности Вселенной еще менее точные. Если учесть массу всех в принципе видимых звезд в нашей и других галактиках, то полученная средняя плотность окажется менее одной сотой величины, необходимой, чтобы остановить расширение Вселенной, даже если принять наименьшую оценку скорости расширения.

Но это еще не все. Наша и другие галактики, по-видимому, содержат большое количество темного вещества, которое невозможно увидеть непосредственно, но о существовании которого мы знаем из-за его гравитационного воздействия на орбиты звезд в галактиках. Пожалуй, лучшим свидетельством в пользу существования такого темного вещества является движение звезд на окраинах спиральных галактик вроде нашего Млечного Пути. Эти звезды движутся по своим орбитам вокруг галактик слишком быстро, чтобы удерживаться совокупным тяготением наблюдаемых в галактике звезд. Кроме того, большинство галактик находятся в скоплениях и аналогичные соображения позволяют заключить о наличии еще большего количества темного вещества в межгалактическом пространстве скоплений на основании того влияния, которое это вещество оказывает на движение галактик. И действительно, количество темного вещества намного превосходит количество обычного вещества во Вселенной. С учетом массы всего этого темного вещества средняя плотность оказывается равной примерно одной десятой величины, необходимой, чтобы остановить расширение Вселенной. Но могут быть и другие, до сих пор нами не обнаруженные формы темного вещества, распределенные почти равномерно по всей Вселенной, учет которых может дополнительно увеличить среднюю плотность. Например, существуют элементарные частицы, называемые нейтрино, которые очень слабо взаимодействуют с веществом и которые очень трудно обнаружить (в одном из нейтринных экспериментов использовался детектор, наполненный пятьюдесятью тысячами тонн воды). Считалось, что нейтрино не имеют массы и поэтому не создают гравитационного притяжения, но эксперименты последних нескольких лет свидетельствуют о наличии у нейтрино очень малой массы, которую до тех пор не удавалось обнаружить. Если у нейтрино есть масса, то эта частица может быть одним из видов темного вещества. Но даже с учетом вклада нейтрино как темного вещества общая плотность вещества во Вселенной оказывается недостаточной, чтобы остановить расширение, поэтому до недавнего времени физики считали, что устройство Вселенной описывается моделью Фридмана второго типа.

А потом появились новые наблюдения. В последние годы несколько групп исследователей занимались изучением мельчайших волн микроволнового фона, открытого Пензиасом и Уилсоном. Характерные размеры этой ряби могут служить индикатором крупномасштабной геометрии Вселенной, и, похоже, они свидетельствуют о том, что Вселенная скорее всего плоская (как в модели Фридмана третьего типа)! Количества видимого и темного вещества недостаточно для такой модели, и поэтому для объяснения устройства Вселенной физики предположили существование другой, до сих пор не обнаруженной субстанции – темной энергии.

Все еще больше запуталось в результате недавних наблюдений, из которых стало ясно, что расширение Вселенной не замедляется, а ускоряется. Ни одна из моделей Фридмана так себя не ведет! И это очень странно, потому что под влиянием распределенного в пространстве вещества, независимо от его средней плотности, расширение Вселенной замедляется. В конце концов, гравитация – это сила притяжения. Ускоренное расширение Вселенной напоминает взрыв бомбы, при котором ударная волна после взрыва с течением времени усиливается, вместо того чтобы ослабевать и рассеиваться. Что же может заставить расширяться Вселенную все быстрее и быстрее? Пока этого никто в точности не знает; согласно некоторым данным Эйнштейн, возможно, был прав, вводя в свои уравнения космологическую постоянную (и