«Гонка за Нобелем»

Космолог и разработчик эксперимента по исследованию реликтового излучения BICEP Брайан Китинг в книге «Гонка за Нобелем: История о космологии, амбициях и высшей научной награде» (издательство Альпина нон-фикшн), переведенной на русский язык Ириной Евстигнеевой, рассказывает историю открытия, совершенного в рамках программы BICEP2. Параллельно ученый рассуждает о Нобелевской премии, которая в ее современном виде, по его мнению, не способствует научному прогрессу, а напротив — порой оказывается препятствием, поощряя жадность и рост конкуренции в научной среде. Стремление получить награду, опередив других, заставляет торопиться с открытиями и мешает самым смелым научным инновациям. N + 1 предлагает своим читателям ознакомиться с отрывком из книги, рассказывающим о трех неразрешимых проблемах теории Большого взрыва.

Искра, воспламенившая Большой взрыв

Никто никогда не принимает решения на основании цифр. Людям нужна история.
Даниэль Канеман, лауреат Премии Шведского национального банка по экономическим наукам памяти Альфреда Нобеля 2002 года

Как ни мучительно космологам было это признавать, наиболее правдоподобная теория космогенеза оказалась, по сути, библейской историей о сотворении мира. Первая попытка связать цифры с историей была предпринята в середине 1600-х годов, когда ирландский архиепископ Джеймс Ашшер вычислил, что Бог сотворил мир субботней ночью 22 октября 4004 года до н.э. Вероятно, Ашшер переоценил данные, которыми располагал: первые две главы Библии.

Сегодня астрономы, вооруженные продвинутыми версиями зрительной трубы Галилея, такими как телескоп BICEP2, подобно Ашшеру, пытаются определить, когда и как все началось. Это неудивительно: вопрос собственного происхождения всегда волновал человечество.

Модель Большого взрыва вышла победителем из противостояния с конкурирующими концепциями, но и сама страдала большими изъянами. Она так и не ответила на ряд ключевых вопросов, и прежде всего: что взорвалось? Что привело к возникновению состояния сингулярности с бесконечной температурой и плотностью? Казалось, модель полностью нарушает известный каждому школьнику третий закон Ньютона, гласящий, что каждое действие вызывает равное по силе ответное действие / реакцию. Большой взрыв, казалось, был одной сплошной реакцией, которой не предшествовало никакого равного по силе действия. Короче говоря, все это слишком напоминало первую главу Книги Бытия.

По мере того как телескопы и детекторы становились более чувствительными, астрономы стали узнавать о космосе все более тонкие детали. И при более внимательном рассмотрении модель Большого взрыва начинала трещать по швам. Какое-то время казалось, что она тоже обречена.

Проблема однородности. Несмотря на то, что космический микроволновый фон, казалось, был убедительным доказательством существования огненного шара ранней Вселенной, астрономов продолжали мучить сомнения: это было слишком хорошо, чтобы быть правдой. Модель Большого взрыва предполагала, что источником реликтового излучения была плазма — газ из электронов и протонов, слишком горячий для того, чтобы конденсироваться в водород, наполнявший Вселенную в первые 380 000 лет ее существования. Для плазмы характерна непрозрачность — сквозь нее не проходит свет, и она очень однородна. Пензиас и Уилсон обнаружили, что то же самое относится и к реликтовому излучению: «Эта остаточная температура [т.е. температура реликта] в пределах наших наблюдений изотропна, не поляризована и не зависит от времени года». Ранняя Вселенная была воплощением гомогенности, хотя и удивительно скучной. На протяжении более чем трех десятилетий не обнаружилось чего-то, способного навести на другие предположения.

Но что в этом плохого? В конце концов модель Большого взрыва предполагала, что реликтовое излучение родилось из плазмы, а плазма повсюду одинакова. Разве однородность реликтового излучения не была еще одним доказательством в пользу этой теории? Не совсем. Идеальная однородность реликта создавала проблему: если Вселенная действительно была идеально однородной, почему тогда возникли звезды, галактики и планеты? Если первичная плазма была океаном единообразия, где ни одно место не отличалось от всех остальных, она должна была навечно остаться в таком состоянии. Ничто не могло вызвать процесс конденсации водорода в звезды где-либо во Вселенной. Что-то должно было нарушить идеальную монотонность ранней Вселенной, иначе нас бы сейчас не было.

Не найдя в своих первоначальных данных никаких следов анизотропии — отклонений от абсолютной изотропии — Пензиас и Уилсон не стали копать дальше, решив, что одного знаменательного открытия с них довольно. Прошло еще 27 лет, прежде чем команда COBE (Cosmic Background Explorer) в 1992 году объявила о том, что научная аппаратура на борту спутника наконец-то зарегистрировала анизотропию реликтового излучения. По словам Джорджа Смута, это было все равно что «увидеть лицо Бога». Отклонения от безупречной гомогенности были чрезвычайно малы: температура реликта изменялась всего на 30 миллионных кельвина по всему небу, т.е. уровень отклонений в 100 000 раз меньше по сравнению с температурой микроволнового фона в 2,7 кельвина (рис. 29).

Как почти каждое новое открытие, результаты COBE вызвали еще больше вопросов. И прежде всего, что создало эти флуктуации?

На самом деле космологи Райнер Сакс и Артур Вулф ответили на этот вопрос еще в 1967 году, всего через два года после открытия реликта. Когда свет проходит вблизи массивного тела, гравитационное поле притягивает его и вызывает смещение в сторону красной части спектра, увеличивая длину волн. Чем больше длина волны фотона — чем краснее свет, тем меньше у него энергии. Сакс и Вулф предположили, что в ранней Вселенной существовали области с большей массой — области с более высокой плотностью, которые оказывали более сильное гравитационное влияние на фотоны реликтового излучения, чем области с низкой плотностью. Этот эффект получил название гравитационного красного смещения. Таким образом, немного более прохладные участки карты микроволнового фона, увиденные COBE в 1992 году, соответствовали тем участкам в первичной плазме, где плотность материи и, следовательно, гравитация были чуть выше среднего, — то была своего рода рябь на ткани пространства-времени. Но эта рябь заставила космологов призадуматься.

Хотя Сакс и Вулф показали, каким образом неоднородные по плотности участки ранней Вселенной могли вызвать колебания температуры реликтового излучения, они не объяснили, как эти флуктуации возникли, не говоря уже о том, почему эти колебания были очень небольшими, но отличными от нуля. Этот незначительный, но ненулевой уровень требуемых отклонений стал известен как проблема однородности модели Большого взрыва.

Проблема горизонта. Температура реликта была почти одинакова повсюду — не только в соседних регионах, но и в тех, что расположены на противоположных сторонах неба. Эти регионы соответствовали участкам Вселенной, которые находятся друг от друга на гораздо большем расстоянии, чем расстояние, которое успел бы преодолеть свет с момента Большого взрыва (рис. 30). Отдаленные регионы космоса имели одинаковую температуру, несмотря на то что никогда не сближались достаточно, чтобы их температура уравновешивалась.

Это необъяснимое наблюдение стало известно как проблема горизонта. Наверное, вы думаете, что «горизонт» подразумевает «край», а это, в свою очередь, означает, что у Вселенной есть «центр»… и мы находимся как раз в нем! Но здесь под «горизонтом» космологи понимают максимальное расстояние, на которое могут быть удалены друг от друга два события, чтобы свет от них успел дойти до наблюдателей на Земле.

Чтобы понять, насколько важна эта проблема, представьте себе магазин бытовой техники, который никогда не закрывается и продает только один товар — мини-печь с фиксированной температурой в 500°. Недостаток разнообразия магазин компенсирует количеством: на его полках стоят тысячи таких мини-печей, и к каждой приставлен свой продавец. Работа продавцов очень проста: они могут только включать и выключать мини-печи, но имеют право делать это, когда захотят.

Температура во включенной печи в какой-то момент достигает 500°. При выключении температура будет промежуточной между максимальной и комнатной, в зависимости от того, сколько времени назад печь была выключена.

Какой температуры можно ожидать, если зайти в магазин? Логично предположить случайное распределение температур между комнатной и 500°. Представьте свое удивление, когда вы обнаружите, что все мини-печи имеют одинаковую температуру, скажем 272° плюс-минус 0,005°! Как объяснить такое явление? Оно явно не может быть случайным. Выглядит как тайный сговор. Но даже если так, то продавцам пришлось бы синхронизировать длительность работы каждой печи и точное время выключения. Подобный сговор потребовал бы практически мгновенного согласования действий продавцов по всему огромному магазину.

Теория Большого взрыва объясняла подозрительное совпадение тем, что первичная Вселенная была почти идеально однородной и осталась таковой, даже когда расширилась более чем на 90 млрд световых лет. Это было неудовлетворительное объяснение — очередная констатация факта, не поддающегося проверке, и такое же проклятие для космологов, как начало Вселенной.

Проблема плоскостности. Если внимательно посмотреть на поверхность конского седла или футбольного мяча, можно заметить две основные особенности: 1) они изогнуты в большом масштабе; 2) имеют множество неровностей на поверхности в малом масштабе. Математики называют такую изогнутость и неровности кривизной.

Принято говорить, что мяч имеет положительный радиус кривизны, можно сказать, что он выгнут наружу, или выпуклый. И наоборот, седло имеет отрицательный радиус кривизны, кривая обращена внутрь, и ее можно назвать вогнутой. Плоская поверхность, такая как лист бумаги, имеет бесконечно большой радиус кривизны, что фактически эквивалентно ее отсутствию. Как уже упоминалось выше, в 1992 году в ходе эксперимента COBE были обнаружены небольшие вариации яркости космического микроволнового фона. Эти флуктуации были вызваны неравномерным распределением материи / энергии в первичной плазме, которые создавали рябь на ткани пространства-времени. Но в 1992 году не было известно, «изогнута» ли Вселенная в большом масштабе. И если изогнута, является ее радиус кривизны положительным (как у мяча) или отрицательным (как у седла)? Или он бесконечен, как у плоского листа бумаги?

Существует простой способ измерить кривизну поверхности — нарисовать треугольник и сложить величины его внутренних углов. Две тысячи лет назад Евклид доказал, что, если нарисовать треугольник любого размера на плоском папирусе и посчитать сумму его углов, она всегда будет равна 180°. Но в треугольнике, нарисованном на поверхности с положительной кривизной, такой как поверхность земного шара, сумма углов будет превышать 180°. Представьте, что вы находись в столице Эквадора Кито, расположенной на экваторе. Оттуда вы отправляетесь точно на восток, на противоположную сторону планеты в Куала-Лумпур, Малайзия. Далее вы едете на Южный полюс, а затем возвращаетесь обратно в Кито. Сумма внутренних углов этого треугольника составит почти 360° — в два раза больше, чем на плоской поверхности. Таким образом, с помощью обычного треугольника можно измерить кривизну двумерной поверхности. На протяжении многих лет астрономы проводили похожие измерения, используя в качестве углов треугольника планеты, звезды и даже целые галактики. И всякий раз они не находили никаких свидетельств кривизны Вселенной (рис. 31).

Эти треугольники были относительно небольшими, по космическим меркам по крайней мере. Чтобы измерить кривизну всей Вселенной, нужен треугольник, у которого хотя бы одна из сторон простирается максимально далеко от Земли, т.е. заканчивается в точке, которая существовала сразу после Большого взрыва.

Такой треугольник с максимально удаленной вершиной и известной длиной стороны мог стать космической линейкой, позволяющей измерить радиус кривизны Вселенной.

Оказалось, что такие «стандартные линейки» существовали; это были мелкомасштабные колебания — звуковые волны, которые распространялись через плазму, создавшую реликтовое излучение, и трансформировались в температурные вариации с угловым масштабом на небесной сфере порядка 1°. Это были самые большие структуры, которые могли сформироваться в ранней Вселенной, — линейки, равные по длине возрасту Вселенной, умноженному на скорость звука. Если вернуться к рис. 30, то размер этих линеек был равен диаметру маленьких кругов. Эти колебания были обнаружены через восемь лет после эксперимента COBE в ходе эксперимента BOOMERanG и немедленно использованы для измерения кривизны Вселенной. Оказалось, что радиус кривизны бесконечен, т.е. наша Вселенная — плоская. Какой бы большой треугольник вы ни нарисовали, сумма его углов всегда будет равна 180° (рис. 32).

Как и результаты COBE, результаты BOOMERanG опрокидывали прежние представления. Наша Вселенная не могла быть плоской. Плоскостность неустойчива, а это означает, что, если только Вселенная не была идеально плоской с самого начала, ее расширение должно было значительно увеличить любую, даже крошечную, кривизну. Однако наблюдаемая сегодня почти нулевая пространственная кривизна Вселенной предполагает, что всего за одну наносекунду после Большого взрыва Вселенная достигла так называемой «критической плотности» — состояния, когда количество материи в среднем составляет 447 225 917 218 507 401 284 016 граммов на кубический сантиметр. Если бы плотность одного кубического сантиметра Вселенной была выше этого параметра на один грамм, она была бы слишком плотной, чтобы избежать коллапса.

Из наблюдений BOOMERanG следовало, что наша Вселенная, по сути, всегда была идеально плоской. Это говорило о кризисе модели Большого взрыва. Согласно Леметру, Большой взрыв начался с «первичного атома», и теперь сделанные группой Ланге измерения пространственной кривизны Вселенной показали, что радиус кривизны этого «первичного атома» бесконечно близок к нулю. В очередной раз ученые столкнулись с тем, что наша Вселенная родилась с уникально тонкими настройками: абсолютно плоской в большом масштабе и почти абсолютно гладкой на малых масштабах. Космологи ненавидят такие счастливые случайности. Это необъяснимое плоское состояние стало известно как проблема плоскостности, которая стала третьей по счету неразрешимой проблемой теории Большого взрыва.

Подробнее читайте:
Китинг, Б.Гонка за Нобелем: История о космологии, амбициях и высшей научной награде / Брайан Китинг ; Пер. с англ. [Ирины Евстигнеевой] — М.: Альпина нон-фикшн, 2019. — 395 с.