Космология: между фактами и гипотезой

Современная физика умеет с высокой точностью описывать движение планет, рождение звёзд, столкновения галактик и распространение света через миллиарды световых лет. Однако за впечатляющими успехами скрываются вопросы, на которые наука пока не дала окончательного ответа. Что происходит внутри чёрной дыры? Почему время движется только в одном направлении? Из чего состоит тёмная материя? Что заставляет Вселенную расширяться всё быстрее? И наконец — откуда вообще взялось всё вещество космоса?..

Последний вопрос кажется почти детским, но на самом деле он затрагивает самые глубокие основания физики. Речь идёт не только о происхождении звёзд, планет или атомов. Всё это появилось значительно позднее. Проблема заключается в другом: каким образом ранняя Вселенная, находившаяся в чрезвычайно плотном и горячем состоянии, превратилась в космос, содержащий колоссальное количество вещества и энергии? Именно от общей плотности и состава Вселенной зависит её судьба: будет ли расширение продолжаться бесконечно, замедлится ли оно или когда-нибудь сменится сжатием. Поэтому проблема космической массы — это одновременно вопрос о прошлом, настоящем и будущем мироздания.

Вселенная с нулевым балансом?

В 1973 году американский физик Эдвард Трайон предложил смелую гипотезу: Вселенная могла возникнуть как гигантская квантовая флуктуация вакуума. В квантовой физике вакуум — это не абсолютная пустота. Даже в пространстве, где нет обычных частиц, могут происходить кратковременные изменения энергетического состояния. Согласно идее Трайона, положительная энергия вещества могла быть уравновешена отрицательной энергией гравитации. Если сложить обе величины, общий результат якобы окажется близким к нулю. В таком случае появление Вселенной не обязательно означало бы нарушение закона сохранения энергии: положительный «вклад» вещества компенсировался бы отрицательным «вкладом» гравитационного поля. Концепция сия получила известность благодаря своей кажущейся простоте. Вселенная огромна, но её полный энергетический баланс может быть нулевым — словно крупная финансовая операция, в которой гигантские активы полностью уравновешиваются такими же долгами.
Однако красивая идея ещё не является доказанной теорией. В общей теории относительности гравитация описывается не как обычная сила, а как искривление пространства и времени. Поэтому определить единую энергию гравитации для всей Вселенной гораздо сложнее, чем подсчитать энергию тела или электрического поля. Не существует общепринятого простого способа измерить «полную гравитационную энергию космоса» и убедительно показать, что она точно компенсирует массу вещества.
Кроме того, наблюдения указывают, что крупномасштабная геометрия Вселенной очень близка к плоской. Это не означает полного отсутствия гравитации, но делает рассуждения о глобальной отрицательной энергии особенно сложными. Утверждение о нулевой сумме энергии Вселенной остаётся привлекательной гипотезой, а не установленным фактом.

Что физики называют массой Вселенной, и почему расширение — проблема?

Когда говорят о массе Вселенной, необходимо уточнять, что именно имеется в виду… Наблюдаемая Вселенная содержит несколько принципиально разных компонентов. Обычное, или барионное, вещество состоит из протонов, нейтронов и электронов. Из него образованы звёзды, планеты, межзвёздный газ, человеческое тело и все известные химические элементы. Но на его долю приходится лишь около пяти процентов общего космического содержания. Примерно четверть приходится на тёмную материю. Она не испускает света, и пока не обнаружена непосредственно в лаборатории, однако её присутствие проявляется в движении звёзд, вращении галактик, искривлении световых лучей и формировании крупномасштабной структуры космоса. Оставшаяся, — наиболее значительная часть, — связывается с тёмной энергией — неизвестным компонентом, который, согласно современной космологической модели, отвечает за ускоренное расширение Вселенной.
Таким образом, всё видимое — от песчинки до гигантской галактики: — представляет собой только малую долю мироздания. Большая часть космоса состоит из сущностей, физическая природа которых пока остаётся неясной. Согласно данным космической обсерватории Planck, около 68 процентов общей плотности массы и энергии Вселенной приходится на тёмную энергию, около 27 процентов — на тёмную материю, и менее 5 процентов — на обычное вещество.
Главная особенность тёмной энергии состоит в том, что её плотность, согласно стандартной космологической модели, почти не уменьшается при расширении пространства. С обычным веществом всё понятно. Если взять определённое количество газа и распределить его по всё большему объёму, газ будет становиться разрежённее. Число частиц останется прежним, но расстояния между ними увеличатся. С тёмной энергией предполагается иное. Пространство расширяется, однако количество тёмной энергии в каждом условном кубическом метре почти не меняется. Следовательно, чем больше становится объём Вселенной, тем больше оказывается полное количество связанной с этим объёмом энергии.

Отсюда возникает естественный вопрос: откуда берётся дополнительная энергия?

В рамках общей теории относительности вопрос нельзя трактовать так же, как задачу о сохранении энергии в закрытой коробке. Расширяющаяся Вселенная не является обычной физической системой с неподвижными границами. В искривлённом изменяющемся пространстве глобальный закон сохранения энергии формулируется значительно сложнее, чем в классической механике. Посему утверждение, что тёмная энергия обязательно «создаётся из ничего», было бы слишком прямолинейным. Но сама проблема показывает, насколько трудно переносить привычные земные представления о массе и энергии на Вселенную как единое целое.
Могут ли тёмную энергию создавать чёрные дыры?
В последние годы обсуждается гипотеза, связывающая тёмную энергию с чёрными дырами. Исследователи обратили внимание на то, что массы сверхмассивных чёрных дыр в далёких галактиках могли увеличиваться быстрее, чем ожидалось — только за счёт поглощения газа, звёзд и слияний. Было выдвинуто предположение о так называемой космологической связи: масса чёрной дыры может определённым образом зависеть от расширения Вселенной. В таком случае чёрные дыры могли бы быть не только конечным этапом эволюции массивных звёзд, но и одним из источников эффекта, который мы называем тёмной энергией. А точнее, в 2023 году международная группа астрофизиков под руководством Дункана Фарры и Кевина Крокера выдвинула гипотезу о так называемой космологической связи. Согласно этой гипотезе, масса чёрных дыр может изменяться вместе с расширением Вселенной, а сами чёрные дыры — вносить вклад в эффект, который мы связываем с тёмной энергией. Необходимо добавить, что гипотеза остаётся спорной: последующие исследования указали на возможные противоречия с наблюдаемыми массами и частотой слияний чёрных дыр, а также с историей роста сверхмассивных чёрных дыр.
Да, это интригующая идея, но она пока не считается окончательно доказанной. Наблюдаемое увеличение массы чёрных дыр можно объяснять по-разному. Необходимо учитывать особенности развития галактик, поглощение вещества, столкновения, выбор исследуемых объектов и погрешности определения их массы. Кроме того, даже если связь чёрных дыр с тёмной энергией подтвердится, она не объяснит происхождение первоначального вещества, из которого появились первые звёзды и сами чёрные дыры. Получается логический круг: чёрные дыры возникают из вещества, но именно происхождение вещества и требуется объяснить! В исследовании международной группы под руководством Дункана Фарры и Кевина Крокера рассматривается возможная связь роста чёрных дыр с тёмной энергией. Однако эта гипотеза касается лишь механизма ускоренного расширения Вселенной и сама по себе не объясняет происхождение ни барионного вещества, ни тёмной материи.
Повторимся, что собственно барионное вещество — обычное вещество, из которого состоят звёзды, планеты, газ, пыль и наши тела. Его основу образуют барионы — прежде всего протоны и нейтроны. Из них состоят атомные ядра, а вместе с электронами они образуют атомы. К барионному веществу относятся:

• водород и гелий в звёздах; 
• все химические элементы; 
• межзвёздный газ и космическая пыль; 
• планеты, живые организмы и любые привычные предметы. 

При этом электроны сами не являются барионами, но в космологии их обычно учитывают вместе с обычным атомным веществом. Важно: барионное вещество — лишь около 5 % массово-энергетического состава Вселенной. Остальное приходится главным образом на тёмную материю и тёмную энергию. Сам термин происходит от греческого слова barýs — «тяжёлый».

Всё ли вещество мы видим?

Предположение о том, что масса Вселенной недооценена, на первый взгляд кажется вполне разумным. Человеческие приборы действительно способны наблюдать далеко не всё. Даже обычное вещество может быть чрезвычайно трудно обнаружить. Холодные звёзды светят слабо. Межзвёздная пыль закрывает далёкие объекты. Разрежённый газ между галактиками почти невидим. Некоторые звёздные системы находятся слишком далеко, а их свет слишком слаб, чтобы современные телескопы могли различить их по отдельности. История астрономии неоднократно показывала, что с появлением более совершенных инструментов число известных объектов возрастает. Глубокие наблюдения космических телескопов привели учёных к выводу, что галактик во Вселенной может быть значительно больше, чем было видно в ранних обзорах неба.
Но здесь необходимо различать две вещи. Мы можем недооценивать число слабых звёзд и галактик, однако это не означает, что их масса автоматически решит проблему тёмной материи или тёмной энергии. Общая плотность обычного вещества определяется не только прямым подсчётом видимых звёзд. Для этого используются данные о первичном химическом составе, реликтовом излучении, формировании галактик и крупномасштабной структуре космоса. Большая часть обычного вещества вообще находится не в звёздах. Она может существовать в виде горячего или разреженного межгалактического газа. Обнаружение такого вещества помогает заполнить пробелы в «переписи» барионов, но не превращает обычную материю в главный компонент Вселенной.
Действительно, возможности телескопов ограничены, космическая пыль поглощает часть излучения, а значительная доля барионного вещества может находиться в труднодоступном для наблюдений межгалактическом газе. Однако из этого ещё не следует, что общая масса вещества во Вселенной должна быть почти в десять раз выше принятых оценок: такой вывод требует самостоятельного теоретического обоснования и наблюдательной проверки.
Возможность существования ещё не обнаруженных форм материи исключать нельзя. Собственно, тёмная материя и была введена именно потому, что движения галактик и скоплений невозможно было объяснить только наблюдаемыми звёздами и газом. Но — новое вещество должно не просто заполнять арифметический пробел. Оно обязано проявляться физически: воздействовать на движение галактик, искривлять свет, участвовать в формировании космических структур, влиять на реликтовое излучение и согласовываться с данными ядерной физики.
Если предположить, что во Вселенной скрыто в несколько раз больше обычного вещества, чем принято считать, это должно заметно изменить картину раннего космоса. Изменилось бы образование лёгких химических элементов, распространение реликтового излучения и скорость возникновения первых галактик. Пока совокупность наблюдений не даёт оснований утверждать, что обычной материи в семь или десять раз больше стандартных оценок. Поэтому гипотеза о дополнительном скрытом веществе возможна как предмет обсуждения, но называть его существование практически доказанным преждевременно. Научное доказательство требует независимых наблюдений и согласования сразу с несколькими областями космологии.

Идея непрерывного рождения вещества уже появлялась в истории науки. В середине XX века сторонники теории стационарной Вселенной предполагали, что по мере расширения космоса новые частицы возникают в пустом пространстве. Благодаря этому средняя плотность вещества должна была оставаться неизменной. Позднее теория стационарной Вселенной уступила модели горячего Большого взрыва. Решающую роль сыграли открытие реликтового излучения, наблюдения эволюции галактик и данные о распространённости химических элементов.
Однако сама возможность возникновения частиц из физических полей не является фантастикой. В квантовой теории энергия поля при определённых условиях действительно может превращаться в частицы. Предполагается, что похожие процессы происходили в ранней Вселенной, особенно во время её стремительного инфляционного расширения и последующего разогрева. Но это не было появлением материи из абсолютного философского небытия. Частицы рождались из энергии существовавших полей. Поэтому вопрос лишь переносится на более глубокий уровень: откуда взялись сами поля, их энергия и законы, определявшие их поведение? И главное: что значит «из ничего»?..
В научно-популярных книгах нередко говорится, что Вселенная могла возникнуть «из ничего». Эта фраза способна ввести читателя в заблуждение. Физическое «ничто» обычно не является абсолютным отсутствием всего. Под ним могут подразумевать квантовый вакуум, пространство без частиц, особое состояние поля или математическую модель, в которой привычные пространство и время ещё не сформировались. Философское ничто — гораздо более радикальное понятие. В нём нет ни пространства, ни времени, ни законов природы, ни физических возможностей, ни даже квантового вакуума. Наука пока не умеет описывать переход от такого абсолютного небытия к существованию мира.
Поэтому космология отвечает прежде всего на вопрос, как развивалась Вселенная из чрезвычайно раннего состояния. Она достаточно уверенно описывает многие этапы, начиная с первых долей секунды после начала расширения. Но вопрос о том, почему вообще существует физическая реальность, остаётся на границе науки, философии и богословия.
Религиозная идея творения мира из ничего говорит об абсолютной причине, не зависящей от материи. Физические гипотезы обсуждают эволюцию вакуума, квантовых полей и пространства-времени. Эти подходы используют разный язык и относятся к разным уровням объяснения. Прямая подмена одного другим не помогает ни науке, ни философии.

Почему массу всей Вселенной трудно подсчитать. Главная тайна остаётся

Даже выражение «масса Вселенной» не вполне однозначно. Мы не знаем, конечна ли вся Вселенная. Мы можем оценивать содержание только наблюдаемой области — той части космоса, свет от которой успел дойти до нас. Кроме того, в общей теории относительности энергия гравитационного поля не определяется так же просто, как масса камня или энергия летящего снаряда. Для отдельных изолированных систем существуют надёжные методы расчёта, но ко всей расширяющейся Вселенной их нельзя автоматически применять.
Поэтому простое сложение положительной массы вещества и предполагаемой отрицательной массы гравитации может привести к результату, не имеющему строгого физического смысла. Особенно осторожно следует относиться к попыткам выводить свойства всего космоса из аналогий с движением тела вокруг планеты. Вселенная — не гигантская звезда и не шар вещества, летящий в заранее существующей пустоте. Расширяется само пространство, а галактики в среднем удаляются друг от друга вместе с ним. Это принципиально отличается от обычного взрыва, при котором обломки разлетаются из единого центра.
Несмотря на множество нерешённых вопросов, современная космология располагает прочным фундаментом наблюдений. Вселенная расширяется. В прошлом она была горячее и плотнее. Лёгкие химические элементы образовались на ранних этапах её развития. Реликтовое излучение представляет собой своеобразный снимок Вселенной в возрасте около 380 тысяч лет. Галактики формировались постепенно под действием гравитации. Невидимая масса играет важную роль в их движении. А примерно несколько миллиардов лет назад расширение Вселенной начало ускоряться. Но — физическая природа тёмной материи и тёмной энергии остаётся неизвестной. Неясно, является ли тёмная энергия неизменным свойством пространства, особым полем или следствием того, что наша теория гравитации неполна. Не исключено и существование пока неизвестных частиц или космологических механизмов. Проблема происхождения массы Вселенной не сводится к одному пропущенному числу. Она включает сразу несколько вопросов:

Почему существуют элементарные частицы? 
Почему они обладают именно такими массами? 
Откуда появилась энергия первичных физических полей? 
Почему во Вселенной вещества оказалось больше, чем антивещества? 
Что представляет собой тёмная материя? 
Почему пустое пространство связано с ускоренным расширением? 
И применим ли привычный закон сохранения энергии ко всему космосу?

Возможно, будущая теория квантовой гравитации объединит описание вещества, пространства и времени. Возможно, окажется, что масса и геометрия являются разными проявлениями более глубокой физической реальности. Но пока подобные идеи остаются программой дальнейших исследований. Наука не обязана немедленно давать окончательный ответ. Её сила заключается в другом: она умеет отделять наблюдение от предположения, проверяемую модель — от красивой догадки, а нерешённый вопрос — от мнимой уверенности. Мы достаточно много знаем о развитии Вселенной, но всё ещё не понимаем, почему у неё вообще есть масса, энергия и способность порождать сложные структуры. Возможно, именно эта тайна приведёт физику к следующему великому перевороту — сопоставимому с появлением теории относительности и квантовой механики

​

​