Вскоре после того, как в прошлом году космический телескоп James Webb начал передавать из космоса потрясающие изображения планет и туманностей, астрономы, хотя и были ошеломлены, вынуждены были признать, что что-то не так.
Восемь месяцев спустя, основываясь отчасти на данных, полученных с помощью телескопа, мы начинаем думать, что нам, возможно, придется пересмотреть ключевые характеристики происхождения и развития Вселенной.
Запущенный в конце 2021 года в рамках совместного проекта НАСА, Европейского космического агентства и Канадского космического агентства, "Уэбб", инструмент с непревзойденными возможностями наблюдения, выполняет захватывающую миссию, позволяющую заглянуть в прошлое, по сути, на первые звезды и галактики. Но одно из первых важных открытий "Уэбба" оказалось захватывающим в неудобном смысле: он обнаружил существование полностью сформировавшихся галактик гораздо раньше, чем это было возможно в соответствии с так называемой стандартной моделью космологии.
Согласно стандартной модели, на которой основаны практически все исследования в этой области, существует фиксированная и точная последовательность событий, последовавших за Большим взрывом: Сначала под действием силы тяжести в остывающем космическом газе образовались более плотные области, которые выросли и превратились в звезды и черные дыры; затем под действием силы тяжести звезды объединились в галактики.
Однако данные Webb показали, что некоторые очень крупные галактики образовались очень быстро, за слишком короткое время, по крайней мере, в соответствии со стандартной моделью. И это не мелкое расхождение. Находка напоминает появление в сказке родителей и их детей, когда бабушки и дедушки еще сами дети.
К сожалению, это не единичный случай. В последнее время были и другие случаи, когда доказательства, лежащие в основе фундаментальных научных представлений о Вселенной, оказывались тревожно непоследовательными.
Возьмем, к примеру, вопрос о скорости расширения Вселенной. Это основополагающий факт космологической науки - так называемая постоянная Хаббла, однако ученые так и не смогли прийти к единому мнению. Существует два основных способа ее вычисления: Один из них связан с измерениями ранней Вселенной (например, такими, которые проводит "Уэбб"); другой - с измерениями близлежащих звезд в современной Вселенной. Несмотря на десятилетия усилий, эти два метода продолжают давать разные ответы.
Поначалу ученые ожидали, что это расхождение будет устранено по мере совершенствования данных. Но проблема упорно сохранялась, даже когда данные становились все более точными. А теперь новые данные, полученные с помощью спутника Webb, усугубили проблему. Эта тенденция свидетельствует о недостатках модели, а не данных.
Две серьезные проблемы со стандартной моделью космологии были бы достаточно тревожными. Но за последние полвека модель уже неоднократно латалась, чтобы лучше соответствовать наилучшим имеющимся данным, - изменения, которые вполне могут быть необходимыми и правильными, но которые в свете проблем, с которыми мы сейчас сталкиваемся, могут показаться скептикам слишком удобными.
Физики и астрономы начинают понимать, что что-то действительно не так. Некоторые из нас считают, что необходимо не только пересмотреть стандартную модель космологии, но и изменить наши представления о некоторых основных характеристиках нашей Вселенной - концептуальная революция, которая будет иметь последствия далеко за пределами науки.
Стандартная модель космологии, представляющая собой мощную смесь полученных с большим трудом данных и редкой абстрактной математической физики, по праву считается триумфом человеческой изобретательности. Она берет свое начало с открытия Эдвином Хабблом в 1920-х годах факта расширения Вселенной - первого доказательства Большого взрыва. Затем, в 1964 г., радиоастрономы обнаружили так называемый космический микроволновый фон - "ископаемое" излучение, дошедшее до нас вскоре после начала расширения Вселенной. Это свидетельствовало о том, что ранняя Вселенная представляла собой горячий, плотный суп из субатомных частиц, который с тех пор постоянно остывал и становился менее плотным.
За последние 60 лет космология становилась все более точной в своей способности учесть наилучшие имеющиеся данные о Вселенной. Однако для достижения такой высокой точности астрофизикам пришлось постулировать существование компонентов Вселенной, для которых у нас нет прямых доказательств. Согласно стандартной модели, "обычная" материя - то, из чего состоят люди, планеты и все остальное, что мы можем видеть, - составляет лишь около 4% Вселенной. Остальное - это невидимая материя, называемая темной материей и темной энергией (примерно 27% и 68%).
Космическая инфляция - пример еще одной экзотической поправки, внесенной в стандартную модель. Эта теория, разработанная в 1981 г. для разрешения парадоксов, возникающих в связи с более старой версией Большого взрыва, гласит, что ранняя Вселенная расширялась экспоненциально быстро в течение доли секунды после Большого взрыва. Эта теория решает одни проблемы, но создает другие. Примечательно, что, согласно большинству версий теории, вместо одной Вселенной наша - всего лишь одна Вселенная в мультивселенной - бесконечном множестве вселенных, остальные из которых могут навсегда остаться для нас ненаблюдаемыми не только на практике, но и в принципе.
В этих особенностях стандартной модели нет ничего предосудительного. Ученые часто обнаруживают хорошие косвенные доказательства того, что мы не можем увидеть, например, сверхплотные сингулярности внутри черной дыры. Но после появления противоречивых данных о формировании галактик, полученных "Уэббом", и обострения проблемы с постоянной Хаббла, нельзя винить тех, кто начинает задумываться о том, не устарела ли модель.
В таких случаях для снятия тревоги часто используется привычный рассказ о том, как работает наука. Она выглядит следующим образом: Исследователи считают, что у них есть успешная теория, но новые данные показывают, что она несовершенна. Смело засучив рукава, ученые возвращаются к своим доскам и выдвигают новые идеи, которые позволяют им улучшить свою теорию за счет лучшего соответствия фактическим данным.
Это история одновременно смирения и триумфа, и мы, ученые, любим ее рассказывать. Возможно, так произойдет и в данном случае. Возможно, для решения проблем, с которыми нас заставляет столкнуться "Вебб", космологам потребуется лишь придумать новое "темное" нечто, которое позволит нашей картине Вселенной и дальше соответствовать лучшим космологическим данным.
Есть, однако, и другая возможность. Возможно, мы находимся на том этапе, когда необходим радикальный отход от стандартной модели, который может даже потребовать от нас изменения наших представлений об элементарных составляющих Вселенной, возможно, даже о природе пространства и времени.
Космология не похожа на другие науки. Это не то же самое, что изучать мышей в лабиринте или наблюдать за кипением химикатов в стакане в лаборатории. Вселенная - это все, что есть; она одна, и мы не можем посмотреть на нее со стороны. Ее нельзя положить в коробку на стол и провести над ней контролируемые эксперименты. Поскольку космология является всеобъемлющей, она заставляет ученых решать вопросы о самой среде, в которой работает наука: о природе времени, о природе пространства, о природе закономерностей, о роли наблюдателей, которые ведут наблюдения.
Эти редкие вопросы не поднимаются в большинстве "обычных" наук (хотя в науке о сознании и в квантовой физике встречаются такие же "теневые" вопросы). Работая так близко к границе между наукой и философией, космологи постоянно сталкиваются с призраками основных предположений, скрывающихся в используемых нами инструментах, например, с предположением, что научные законы не меняются со временем.
Но именно это предположение мы должны поставить под сомнение, чтобы выяснить, что не так со стандартной моделью. Один из вариантов, предложенный физиком Ли Смолиным и философом Роберто Мангабейра Унгером, заключается в том, что законы физики могут развиваться и изменяться с течением времени. Различные законы могут даже конкурировать между собой за эффективность. Еще более радикальная возможность, рассмотренная физиком Джоном Уилером, заключается в том, что каждый акт наблюдения влияет на будущее и даже прошлую историю Вселенной. (Доктор Уилер, пытаясь разобраться в парадоксах квантовой механики, придумал "вселенную участия", в которой каждый акт наблюдения в некотором смысле является новым актом творения).
По меньшей мере, неочевидно, как такое революционное переосмысление нашей науки может помочь нам лучше понять космологические данные, которые ставят нас в тупик. (Отчасти это связано с тем, что сами данные формируются под влиянием теоретических предположений тех, кто их собирает). Отступление назад и переосмысление таких фундаментальных основ нашей науки неизбежно приведет к перевороту.
Но революция может оказаться лучшим путем к прогрессу. Так уже было в прошлом с такими научными открытиями, как гелиоцентризм Коперника, теория эволюции Дарвина и теория относительности Эйнштейна. Все эти три теории в итоге оказали огромное влияние на культуру - поставили под угрозу наше ощущение своего особого места в космосе, бросили вызов нашей интуиции, что мы принципиально отличаемся от других животных, разрушили нашу веру в здравый смысл представлений о течении времени. Любая научная революция, подобная той, которую мы себе представляем, предположительно вызовет аналогичные отголоски в нашем понимании самих себя.
Философ Роберт Крейс писал, что философия необходима в тех случаях, когда дополнительные научные исследования не дают ответа на научный вопрос. Пока неясно, нужна ли она для преодоления кризиса в космологии. Но если большее количество корректировок и поправок не поможет, то, возможно, нам понадобится не только новая история Вселенной, но и новый способ рассказывать о ней.
