Космический ландшафт - Леонард Сасскинд

Открытие этих огромных пузырей синхронно движущейся плазмы вовсе не было неожиданностью. Космологи давно предсказывали, что расширение Вселенной приведёт к началу образования плазменных комков, вибрирующих подобно церковным колоколам. Всё начинается с маленьких сгустков, соединяющихся друг с другом по мере расширения. Затем они объединяются в ещё более крупные сгустки, осциллирующие с меньшей частотой и т. д., формируя прекрасно предсказуемую симфонию. Подробные расчёты показывают, что в каждый конкретный момент времени крупнейшие осциллирующие сгустки должны иметь строго определённый размер. Таким образом, когда WMAP «увидел» эти колеблющиеся капли, космологи уже представляли, какой размер должны иметь самые крупные из них.

Знания о размере крупнейших осциллирующих сгустков дали нам в руки выигрышный билет: теперь стало возможным построить гигантский космический треугольник и измерить кривизну пространства. Вот как это было сделано.

Предположим, что вы знаете размер объекта и расстояние до него. В этом случае вы можете предсказать, под каким углом будет виден этот объект на небесной сфере. Возьмём Луну. Диаметр Луны составляет около 3500 километров, а расстояние до Луны – 384 000 километров. Зная это, я без труда вычислю, что лунный диск будет виден на небе под углом примерно в полградуса. По удивительному совпадению Солнце в 400 раз больше Луны, но при этом оно находится в 400 раз дальше. В результате Солнце и Луна видны на небе как диски одинаковой величины под углом в полградуса. Если бы мы посмотрели с Луны на Землю, которая имеет диаметр 12 800 километров, то есть почти в четыре раза больше Луны, то увидели бы земной диск под углом примерно в два градуса.

Проделывая эти вычисления, я предположил, что пространство плоское. Представьте, что диаметр Луны – это одна из сторон треугольника. Две другие стороны образованы прямыми линиями, проведёнными от крайних точек диаметра Луны к наблюдателю.

Если пространство между Землёй и Луной плоское, то мои вычисления верны. Но если пространство искривлено, то ситуация меняется. Например, в случае положительной кривизны пространства угол, под которым будет видна Луна с Земли, окажется больше половины градуса, если же кривизна пространства отрицательна, то соответствующий угол будет меньше, чем полградуса.

Теперь предположим, что мы независимым способом измерили диаметр Луны и расстояние до неё. Тогда на основании видимого углового размера Луны можно сделать заключение о кривизне пространства. С очень высокой степенью точности пространство между Землёй и Луной оказывается плоским.

Вернёмся к нашим космическим геодезистам. Мы знаем, что наибольший размер осциллирующих пузырей в момент времени, соответствующий образованию реликтового излучения, составляет порядка 200 000 световых лет. Пузыри большего размера в тот момент ещё не начали образовываться.

Сегодня источник космического микроволнового излучения находится от нас на расстоянии около 10 миллиардов световых лет, но в то время, когда это излучение только начало своё путешествие, расстояние от того места, где мы сейчас находимся, до поверхности последнего рассеяния было в тысячу раз меньше, то есть 10 миллионов световых лет. Этого достаточно для вычисления угла, под которым должен наблюдаться диаметр наибольших пузырей WMAP, если пространство является плоским. Этот угол будет порядка двух градусов, то есть пузыри должны быть такого же углового размера, как Земля с Луны. Если же пространство не является плоским, то угловой размер пузырей покажет нам, в какую сторону оно искривлено.

Что же показали данные WMAP? Они показали правоту Евклида! Пространство – плоское.

Позвольте мне сделать небольшое лирическое отступление. Путём измерения треугольников на поверхности Земли можно показать, что она имеет форму сферы. Но на практике, до тех пор пока треугольники, которые мы строим, не слишком велики, мы обнаруживаем, что результаты наших измерений оказываются такими, как будто Земля плоская. Очевидно, что Колумб не мог бы убедить короля Испании в том, что Земля круглая, нарисовав несколько треугольников во дворе королевского дворца. Ему потребовалось бы построить треугольник со сторонами, по крайней мере, в несколько сотен километров, и даже тогда результаты измерений суммы углов отличались бы от 180 градусов на очень малую величину. Все, что мог сказать Колумб на основании своих геодезических изысканий, – это то, что Земля очень большая.

То же самое верно и в отношении космических геодезистов: всё, что они могут сказать, – это то, что Вселенная выглядит плоской на масштабах от 10 до 20 миллиардов световых лет. Это означает, что если Вселенная конечна, то она простирается гораздо дальше, чем мы можем видеть.

Итак, что же мы знаем? Обычной материи, образующей звёзды и газово-пылевые облака, недостаточно для того, чтобы сделать Вселенную плоской. По первоначальным данным её было в 50 раз меньше, чем нужно. Но космология уже давно стала точной количественной наукой, и по сегодняшним меркам обычная материя – это ещё не всё, что есть во Вселенной. Без других, скрытых от прямого наблюдения, форм материи Вселенная будет открытой и с отрицательной кривизной. Но количество материи во Вселенной примерно в 10 раз больше, чем мы непосредственно наблюдаем, и эта тёмная материя проявляет себя своим гравитационным полем. В состав тёмной материи могут входить новые элементарные частицы, которые вряд ли взаимодействуют с обычным веществом. Эти частицы должны заполнять галактики, беспрепятственно пролетая сквозь звёзды, планеты и даже сквозь нас. Но и их недостаточно, чтобы сделать Вселенную плоской или закрытой. Поскольку Вселенная плоская, то в ней должен присутствовать ещё один вид массы или энергии, пронизывающей всё пространство.

Возраст Вселенной оказывается слишком мал, если только история её расширения не отличается от вычисляемой на основе предположения, что в ней существует только обычная и тёмная материя. Единственное общепринятое на сегодня объяснение состоит в признании существования ненулевой космологической постоянной, ускоряющей расширение Вселенной. Совершенно неожиданно факт ускоренного расширения Вселенной был подтверждён наблюдениями вспышек сверхновых I типа, которые, как в пущенном задом наперёд кинофильме, разворачивают перед нами историю эволюции Вселенной. Самое лучшее объяснение парадокса возраста Вселенной состоит во введении в уравнения Эйнштейна космологической постоянной, значение которой совпадает с предсказанным Вайнбергом на основе антропного принципа.

Данные о космическом микроволновом фоне неопровержимо свидетельствуют, что ранняя Вселенная была чрезвычайно однородна. Кроме того, эти данные позволяют нам построить гигантский космический треугольник, результаты измерения которого говорят о том, что пространство Вселенной плоское. Из этого следует, что Вселенная гораздо больше, чем её наблюдаемая часть, и что её расширение ускоряется под влиянием очень малой космологической постоянной.

Инфляция

В Соединённых Штатах стали привычными шутки на тему того, как коммунистическая пропаганда уверяла, что всё, что когда-либо было изобретено на земле, было изобретено в России: радио, телевидение, лампочка накаливания, самолёт, абстрактная живопись и даже бейсбол. Однако в области физики некоторые из этих шуток оказались правдой. Советские физики так долго пребывали в изоляции от остального научного мира, что многие из их чрезвычайно важных открытий остались неизвестными на Западе, например замечательная гипотеза о начале расширения Вселенной. Более четверти века тому назад молодой космолог Алексей Старобинский сформулировал теорию, называемую инфляционной. Инфляция – возможно, важнейшее космологическое открытие после Большого взрыва, но только несколько советских учёных в то время смогли оценить эту потрясающую идею. Никто в Соединённых Штатах ничего не знал об инфляционной теории, пока значительно позже молодой «пост-док» в моём университете не переоткрыл её.

Свежеиспечённый доктор философии Алан Гут, специалист в области высокоэнергетической теоретической физики, работал в то время в Стэнфордском центре линейного ускорителя (Stanford Linear Accelerator Center, SLAC). Когда я впервые встретился с ним в 1980 году, он был ярким молодым физиком, написавшим несколько работ по текущим проблемам. В то время только несколько специалистов в области элементарных частиц разбирались в космологии. Я входил в их число, поскольку двумя годами ранее работал с Савасом Димопулосом над проблемой преобладания в природе частиц над античастицами. Мой друг Боб Вагнер тогда спросил меня, имеется ли у теории элементарных частиц какое-нибудь объяснение преобладания материи над антиматерией. У нас с Димопулосом была правильная идея, но мы были полными профанами в космологии, настолько, что путали размер горизонта с масштабным фактором. Это всё равно, как если бы автомеханик не мог отличить рулевого колеса от ведущего. Но под крылом Боба мы быстро ликвидировали свою безграмотность и в конце концов написали первую за пределами СССР статью о барионном синтезе. Вы будете смеяться, но барионный синтез тоже был открыт в СССР. И сделал это ещё за 12 лет до нас не кто иной, как Андрей Сахаров.