Книга: Происхождение Вселенной. Как с помощью теории относительности Эйнштейна можно проникнуть в прошлое, понять настоящее и предвидеть будущее Вселенной
Назад: Незваные гости из другой вселенной
Дальше: Глава 6 Темная материя
Первая доля секунды
Секреты Большого взрыва прячутся за непроницаемой стеной огня, но существует возможность заглянуть в глубину веков, о чем мы раньше не могли и мечтать. В то время, когда не было не только звезд, галактик, атомов и молекул, но даже протонов и нейтронов, когда все только начиналось, когда созревала детонация взрыва, из которого и возникла наша Вселенная. Все, что нам для этого нужно, – это солнцезащитные очки.
Вы смотрите на звезды? Значит, вы смотрите в прошлое, ведь свету нужно время, чтобы дойти от далекой звезды до нашего взора. Можно было бы подумать, что если заглянуть достаточно далеко в космос, то можно вернуться к моменту рождения Вселенной. Но горячий и непроницаемый бульон из электронов и атомных ядер, существовавший в ранней Вселенной, делает это невозможным. Только спустя 380 000 лет после рождения Вселенная охладилась настолько, чтобы стать прозрачной. Каким бы мощным ни был ваш телескоп, вы не сможете увидеть того, что происходило раньше.
Несмотря на это, физики любят порассуждать о том, какой была первая доля секунды после начала всего и вся, и заглянуть в гипотетическую, почти мифическую эру, известную как инфляция. Теория инфляции была создана, чтобы залатать некоторые проблемы в целом успешной теории Большого взрыва. Согласно общей теории относительности Эйнштейна материя и энергия могут искривлять пространство-время, но на больших масштабах наша Вселенная оказывается плоской. Кроме того, в инфляционной модели нет никаких указаний на то, что далеко отстоящие друг от друга области Вселенной должны выглядеть одинаково. Тем не менее галактики по разные стороны Вселенной группируются в скопления с примерно одинаковыми конфигурациями и численностью. Наконец, в ранней Вселенной должны были быть некоторые маленькие флуктуации плотности, чтобы материя под действием гравитации постепенно собралась воедино. В противном случае сегодня вместо галактик существовало бы однородное пространство, заполненное разреженным газом. Но опять-таки классическая теория Большого взрыва не объясняет, почему возникли эти флуктуации.
Инфляция
Для того чтобы разрешить эти ставящие ученых в тупик проблемы, Алан Гут из Массачусетского технологического института в 1980 году предложил теорию инфляции. Он предположил, что краткий и мощный импульс ускорения возник в пространстве и заставил расширяться его по всем направлениям. То, что мы сейчас называем наблюдаемой Вселенной, началось с точки размером меньше атома и выросло до нескольких сантиметров за долю секунды. Любая первоначальная кривизна разгладилась бы в результате этого расширения и выровнялась бы любая разница в температуре или, скажем, плотности. Крошечные квантовые флуктуации в полях энергии, заполняющих пространство, усилились бы и образовали первые ранние флуктуации плотности (рис. 5.2).
Рис. 5.2. После Большого взрыва
Существует много теорий инфляции. Все они сходятся в том, что некое вездесущее поле энергии раздуло пространство, а затем исчезло, оставив после себя море элементарных частиц; но на вопрос что это было за поле существуют разные точки зрения.
Возникают теории, одна причудливее другой, основанные на самых разных представлениях о том, как ведут себя силы природы на высоких энергиях.
Казалось бы, мы никогда не сможем узнать, что происходило в первый миг, ведь ранняя Вселенная была скрыта за непрозрачной пеленой. Скрыта, но не совсем. От внезапного окончания периода инфляции пространство-время должно было содрогнуться, распространив тем самым гравитационные волны. Эти волны должны были пройти через первозданный огненный шар и оставить на нем свой отпечаток, сжимая и растягивая пространство-время.
Спустя бездну времени мы продолжаем видеть свечение этого огненного шара, растянутого и приглушенного расширением пространства до состояния, известного нам как космический микроволновый фон. Каждый фотон этого микроволнового излучения колеблется в определенном направлении, соответствующем его плоскости поляризации. В общем случае плоскости поляризации фотонов распределяются случайно, но некоторые процессы могут наложить свой отпечаток на крупномасштабную картину поляризации. Гравитационные волны должны формировать отчетливую вихревую структуру.
Чтобы увидеть это, нам нужен микроволновый аналог солнцезащитных очков. Этот прибор должен включать в себя конфигурацию из параллельных проволочек, пропускающих волны с определенной поляризацией и запрещающих проход других. Вращая эту установку и измеряя количество излучения, проходящего через нее, можно определить направление поляризации для излучения, приходящего из каждой точки на небе.
Было ли что-нибудь до Большого взрыва?
Инфляция стерла любое воспоминание о тех временах, которые предшествовали стадии быстрого расширения, поэтому мы вряд ли ответим на этот вопрос, просто глядя на небо. Кроме того, в самом начале Вселенная была такой горячей и плотной, что сами уравнения, которые мы используем для описания ее расширения и эволюции, не выдерживают никакой критики.Теория, объединяющая эти уравнения с квантовой механикой, могла бы нам рассказать на языке уравнений о том, что было (и было ли вообще что-то) до Большого взрыва; но очертания этой теории по-прежнему остаются весьма расплывчатыми. А в это время теоретики продолжают фантазировать о пульсирующих вселенных, которые поочередно проходят через серию бесконечных взрывов и сжатий, или о мультивселенных, которые отпочковываются от одной первоначальной Вселенной.
Физики провели несколько экспериментов, в которых попытались найти отпечаток, оставленный гравитационными волнами. В 2014 году ученые, исследовавшие поляризацию с помощью детектора BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization), объявили, что их старания увенчались успехом. К сожалению, оказалось, что полученные результаты целиком можно отнести за счет межзвездной пыли. Но работа по поиску продолжается: ученые строят новые телескопы и детекторы и устанавливают их в высокогорных местах планеты с сухим климатом (см. далее).
Если удастся достичь поставленной цели, физики смогут точно сказать, когда, как и почему произошла инфляция. В большинстве теорий инфляции предполагается, что «спусковой механизм» сработал, когда от нулевого момента времени прошло не менее 10–36 с, но не более 10–33 с. В этот момент первоначальная космическая сверхсила расщепилась на три независимых силы, отвечающих за сильное ядерное взаимодействие, слабое ядерное взаимодействие и электромагнетизм. Это расщепление есть фазовый переход, подобный тому, который происходит, когда жидкая вода превращается в лед. Этот процесс сопровождался выделением энергии, которое и запустило инфляцию. Картина распределения гравитационных волн помогла бы физикам понять действие сверхсилы и создать теорию великого объединения, описывающую истинную фундаментальную структуру материи. Такая теория помогла бы ответить на вопрос, существуют ли дополнительные скрытые измерения в пространстве; если да, то они могли бы задержать инфляцию на 10–14 с.
Но и тогда, возможно, мы увидим картину, которую инфляция объяснить не в состоянии. И теоретикам придется начинать все сначала.
Детекторы и телескопы
Самые негостеприимные места на Земле наиболее всего приспособлены для наблюдений за первыми моментами существования Вселенной.Один из самых больших телескопов на планете выглядит крошечным на фоне бескрайних льдов антарктического пейзажа. Телескоп на Южном полюсе был построен для исследования космического микроволнового фона и запечатления Вселенной, существовавшей через 380 000 лет после Большого взрыва. С помощью установленной на телескопе камеры ученые надеются получить отпечаток первозданных гравитационных волн и пролить свет на первую триллионную триллионной триллионной доли секунды после рождения Вселенной (см. выше, «Первая доля секунды»).Эта камера предназначена для измерения поляризации. Так же, как солнечный свет поляризуется, когда отражается от дороги или озера, излучение микроволнового фона поляризуется при рассеивании на электронах, встречающихся ему на пути через Вселенную, а гравитационные волны должны слегка изменять картину поляризации. Уловить этот эффект будет весьма трудно, так же как услышать стрекотание сверчка на рок-концерте, поскольку слабый сигнал от гравитационных волн теряется на фоне гораздо более сильного сигнала от флуктуаций плотности, происходивших в ранней Вселенной.Водяные пары в атмосфере поглощают микроволновое излучение, поэтому для наблюдений КМФ нужно искать высокие и сухие места. Толщина льда на Южном полюсе составляет 2830 метров, и воздух там чрезвычайно сухой. Но это не самое высокое место, где стоит подобный телескоп. Антенна для измерения анизотропии микроволнового фона (The Array for Microwave Background Anisotropy, AMiBA) находится на высоте 3400 метров на склоне горы Мауна-Лоа на Гавайях. Еще выше, на высоте 5200 метров у вершины Серро Токо в пустыне Атакама в Чили, расположены еще несколько детекторов, улавливающих сигналы гравитационных волн. К ним относятся эксперимент Polarbear («Полярный медведь»), камера ACTPol (Atacama Cosmology Telescope – космологический телескоп в Атакаме), измеряющая анизотропию поляризации, и система телескопов CLASS (Cosmology Large Angular Scale Surveyor – наблюдатель больших космологических угловых масштабов). Кроме того, детекторы устанавливаются на аэростатах и парят на еще большей высоте над Антарктикой, Австралией и над штатом Нью-Мексико.
Назад: Незваные гости из другой вселенной
Дальше: Глава 6 Темная материя
