2015-07-05

Спросите Итана №10: Почему Вселенная повсюду одинакова

Одна из самых трагичных человеческих черт – склонность откладывать жизнь. Мы все мечтаем о волшебном розовом саде за горизонтом, вместо того, чтобы наслаждаться розами, цветущими за нашим окном.

Дейл Карнеги.

Читатель спрашивает:

Я не очень разобрался в космической инфляции и проблеме горизонта. Мне кажется, ты уже рассказывал об этом, но я хотел бы услышать побольше деталей.

Вернёмся к началу.

Это – ваша Вселенная. Она простирается настолько далеко, насколько самые мощные телескопы могут заглянуть во всех направлениях. Они видят десятки тысяч галактик, разбросанных на расстояниях в десятки миллиардов световых лет во все стороны, куда бы мы не посмотрели. На крупном масштабе всё примерно такое же – плотности, температуры, типы стар и галактик, металличность звёзд (относительная концентрация элементов тяжелее гелия), и т.д. Всё, что мы видим – это чем дальше мы смотрим, тем более молодые вещи мы видим, и тем быстрее они удаляются от нас.

Всё это связано с расширением и эволюцией Вселенной. Три главных наших доказательства в контексте Общей теории относительности:

хаббловское расширение Вселенной – красное смещение связано с расстоянием до галактики
существование и свойства космического микроволнового фонового излучения (КМФИ) – почти безупречно однородное море излучения абсолютно чёрного тела во всех направлениях, с температурой чуть выше абсолютного нуля
изобилие лёгких элементов – водорода, дейтерия, гелия (гелия 3 и 4) и лития в молодой вселенной, до образования звёзд

говорят нам о том, что Вселенная эволюционировала и расширялась из более горячего и плотного состояния, и что в текущем состоянии она находится уже примерно 13.8 миллиардов лет. Долго, но не бесконечно. Эта парадигма известна как «Большой взрыв».

Но есть одна проблемка. 13.8 миллиардов лет Вселенная расширялась согласно законам ОТО, то есть скорость расширения пространства определялась набором изначальных условий и энергетическим содержанием вселенной (обычная материя, тёмная материя, излучение, нейтрино, тёмная энергия, пространственная кривизна, и т.д.). С этим всё хорошо – проблема состоит в том, что Вселенная однородна и имеет примерно одни и те же свойства во всех направлениях, куда бы мы не посмотрели.

Плотности и свойства кластеров галактик с одной стороны Вселенной идентичны тем, что с другой – как бы вы не делили Вселенную на части. Это должно быть странно, разве нет?

Ведь с момента Большого взрыва информация не могла передаваться быстрее скорости света. Мы можем видеть кусок Вселенной размером в 46 миллиардов световых лет потому, что на это расстояние смог пропутешествовать свет в расширяющейся Вселенной за последние 13,8 млрд. лет. Поэтому, если мы посмотрим в одну сторону на 23 миллиарда световых лет, а потом в другую сторону – мы можем ожидать, что эти два участка не будут связаны друг с другом.

Всё ещё непонятно? Приведу аналогию.

Представьте кипячение воды в кастрюле. Вы греете её снизу, и вода вскипает во всех местах одновременно. Между верхней и нижней частями воды нет разницы температур. Почему так?

Вы греете кастрюлю снизу, но вода нагревается везде. Это оттого, что её молекулы передвигаются, сталкиваются друг с другом и делятся своей энергией. Вода снизу обменивается энергией и информацией с водой сверху, и время, необходимое на этот обмен, гораздо меньше времени, необходимого для закипания.

Но это не всегда так.

На этой фотке лава стекает из действующего вулкана в океан. Когда лава, нагретая выше 1000 °C, соприкасается с водой, та сразу кипит. Но океан велик, а скорость распространения тепла конечна. Не слишком далеко от этого места температура воды уже практически не будет меняться из-за лавы. С практической точки зрения эти регионы разделены друг с другом, они не обмениваются информацией или свойствами.

Было бы странно, если бы разъединённые друг с другом регионы, которые не вступают в контакт друг с другом и не обмениваются информацией, имели одинаковую температуру. Но во Вселенной именно так всё и происходит.

Космическое микроволновое фоновое излучение (КМФИ) излучалось, когда Вселенной было всего 380000 лет, и в то время свет мог переместиться не более, чем на миллион световых лет в любом направлении. Если бы вы заполнили микроволновое небо кругами радиусом в миллион световых лет, вам бы потребовалось более десяти миллиардов независимых регионов, чтобы заполнить всё, что мы видим. И тем не менее, у этих регионов, не связанных друг с другом, температура, спектр и плотность одинаковые с точностью в 99,99%.

Эта проблема, когда регионы, не контактировавшие друг с другом, почему-то имеют идентичные свойства, называется проблемой горизонта.

Её можно решить следующим образом: может, у этих регионов и не было времени для обмена информацией друг с другом, но что, если после Большого взрыва они уже имели одинаковые свойства?

В общем, это и есть расширение: то, что случилось до Большого взрыва, что не только его подготовило, но и подготовило начальные условия, которые есть у нашей Вселенной. Взяли крохотный регион (возможно, бесконечно малый), расширили его экспоненциально, и он растянулся до размеров, больших, чем наблюдаемая Вселенная, при этом установив следующие правила:

любая материя, частицы, энергия или топологические дефекты, существовавшие в этом регионе до расширения, настолько уменьшаются в плотности, что останется не более одной такой частицы во всей Вселенной (решается проблема монополей)
какая бы кривизна у пространства ни была до расширения, расширение так её растягивает, что её становится не отличить от плоского пространства (решается проблема плоской вселенной)
какие бы вариации температуры и плотности в разных регионах космоса не существовали до расширения, наша обозреваемая Вселенная произошла от одного небольшого региона. Поэтому у Вселенной температура и плотность повсюду одинаковы (решается проблема горизонта)
квантовые флуктуации, происходившие во время расширения, привели к чёткому набору предсказаний флуктуации температуры и плотности в обозримой части Вселенной

Если же отбросить инфляционную теорию, то придётся замести три остальные проблемы (монополи, плоскую вселенную и горизонт) и одно предсказание (о спектре флуктуаций температуры и плотности Вселенной) под ковёр, и сказать: «Это просто начальные условия Большого взрыва», чтобы заставить вашу модель работать.

Или можно признать инфляционную модель – как простой, элегантный и непосредственный способ решения всех этих проблем.