Брайан Грин. Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности - Брайан Грин

(а) (b)

Рис 14.4 (а) Данные по космической микроволновой фоновой радиации, собранные спутником COBE. Радиация свободно путешествовала сквозь пространство с момента примерно 300 000 лет после Большого взрыва, так что эта картина представляет мельчайшие температурные вариации, существовавшие во вселенной около 14 миллиардов лет назад. (b) Усовершенствованные данные, собранные спутником WMAP.

Сравнивая начальные результаты WMAP, Рис. 14.4b, с результатами COBE, Рис.14.4а, вы можете немедленно увидеть, насколько более точную и более детальную картину смог обеспечить WMAP. Другой спутник, Планк (Plank), который разрабатывается Европейским Космическим Агентством, планируется к запуску в 2007 и, если все пойдет по плану, будет лучше WMAP по разрешению во много раз.

Наплыв точных данных просеивал поле космологических предположений, среди которых инфляционная модель является, несомненно, ведущим игроком. Но, как мы отмечали в Главе 10, инфляционная космология не однозначная теория. Теоретики предложили много различных вариаций (стоит просто перечислить несколько: старая инфляция, новая инфляция, теплая инфляция, гибридная инфляция, гиперинфляция, вспомогательная инфляция, вечная инфляция, расширенная инфляция, хаотическая инфляция, двойная инфляция, маломасштабная инфляция, гипернатуральная инфляция), каждая из которых содержит признак короткого взрыва и быстрого расширения, но все отличаются в деталях (в числе полей и форме их потенциальной энергии, в том, какие поля усаживаются на энергетическое плато, и так далее). Эти различия выдают слабо отличающиеся предсказания для свойств микроволновой фоновой радиации (разные поля с разными энергиями имеют слабо различающиеся квантовые флуктуации). Сравнение с данными WMAP и Plank должно быть способным отсеять многие предложения, существенно уточнив наше понимание.

Фактически, данные могут сузить поле предположений еще дальше. Хотя квантовые флуктуации, растянутые инфляционным расширением, обеспечивают убедительное объяснение наблюдаемым вариациям температуры, эта модель имеет соперника. Циклическая космологическая модель Стейнхардта и Турока, описанная в Главе 13, предлагает альтернативный взгляд. Когда две 3-браны циклической модели медленно направляются друг к другу, квантовые флуктуации будут подвергать воздействию различные части бран в слабо различающихся степенях. Когда браны в конце концов сталкиваются, грубо триллионом лет позже, различные области на бранах будут контактировать в слабо отличающиеся моменты, до некоторой степени как два куска шершавой наждачной бумаги, схлопнувшиеся друг с другом. Мельчайшие отклонения от совершенно однородного столкновения дадут мельчайшие отклонения от совершенно однородной эволюции на каждой бране. Поскольку одна из этих бран предполагается нашим трехмерным пространством, отклонения от однородности являются отклонениями, которые мы должны быть в состоянии обнаружить. Стейнхардт, Турок и их соратники доказывали, что неоднородности генерируют отклонения температуры такой же формы, как это появляется из инфляционной схемы, а потому с сегодняшними данными циклическая модель предлагает эквивалентно жизнеспособное объяснение наблюдениям.

Однако, более уточненные данные, которые будут собраны в течение следующих десяти лет, могут найти различие между двумя подходами. В инфляционной схеме не только квантовые флуктуации поля инфлатона растягиваются взрывом экспоненциального расширения, но и мельчайшая квантовая рябь в пространственной ткани также генерируется при интенсивном внешнем растягивании. Поскольку рябь в пространстве является ничем иным, как гравитационными волнами (как в нашей недавней дискуссии про LIGO), инфляционная схема предсказывает, что гравитационные волны производились в ранние моменты вселенной.[8] Их часто называют изначальные гравитационные волны, чтобы отличить их от волн, которые генерируются более недавними интенсивными астрофизическими событиями. В циклической модели, в отличие от этого, отклонения от совершенной однородности строятся медленно, в течение почти непостижимого промежутка времени, пока браны тратят триллион лет, медленно направляясь к их следующему шлепку. Отсутствие резких и энергичных изменений в геометрии бран и в геометрии пространства означает, что пространственная рябь не генерируется, так что циклическая модель предсказывает отсутствие изначальных гравитационных волн. Таким образом, если изначальные гравитационные волны удастся обнаружить, это будет еще одним триумфом инфляционной схемы и определенно исключит циклический подход.

Маловероятно, что LIGO будет достаточно чувствительным, чтобы обнаружить предсказанные инфляцией гравитационные волны, но возможно, что они будут наблюдаться косвенно или с помощью Plank, или с помощью другого спутникового эксперимента, названного экспериментом по Поляризации Космического Микроволнового Фона (Cosmic Microwave Background Polarization – CMBPol), который сейчас планируется. Plank и CMBPol, в особенности, не будут сфокусированы исключительно на температурных вариациях микроволнового фонового излучения, но также будут измерять поляризацию, направления среднего спина обнаруженных микроволновых фотонов. Через цепочку аргументов, слишком запутанных, чтобы их раскрывать здесь, это приводит к тому, что гравитационные волны от Взрыва должны оставить особый отпечаток на поляризации микроволнового фонового излучения, возможно отпечаток достаточно большой, чтобы быть измеренным.

Так что в течение десятилетия мы можем быстро получить ответ на вопрос, был ли Взрыв на самом деле шлепком, и является ли вселенная, о которой мы осведомлены, на самом деле 3-браной. В золотую эру космологии некоторые из самых диких идей могут быть на самом деле проверяемы.

Темная материя, темная энергия и будущее вселенной

В Главе 10 мы ознакомились со строгим теоретическим и экспериментальным доказательством, установившим, что не более чем 5 процентов массы вселенной происходит от составляющих, найденных в привычной материи, – протонов и нейтронов (электроны оцениваются менее, чем в 0,05 процента от массы обычной материи), – тогда как 25 процентов происходит от темной материи и 70 процентов от темной энергии. Но здесь все еще есть существенная неопределенность относительно идентификации всей этой темной мешанины. Естественная гипотеза заключается в том, что темная материя также составлена протонами и нейтронами, теми, которые как-то избежали совместного слипания в форме эмитирующих свет звезд. Но другие теоретические рассмотрения делают эту гипотезу очень маловероятной. Через детальные наблюдения астрономы имеют ясное знание о среднем относительном распространении легких элементов – водорода, гелия, дейтерия и лития, – которые рассеяны по всему космосу. До высокой степени точности соответствие их распространения теоретическим расчетам процессов приводит к уверенности, что эти ядра были синтезированы в течение первых нескольких минут вселенной. Это согласие является одним из величайших успехов современной теоретической космологии. Однако, эти расчеты предполагают, что объем темной материи не составлен из протонов и нейтронов; если на космологических масштабах протоны и нейтроны были бы доминирующими составляющими, существующий космический рецепт был бы отброшен и расчеты выдали бы результаты, которые исключаются наблюдениями.

Итак, если не протоны и нейтроны, то что составляет темную материю?

До сегодняшнего дня никто не знает, но нет недостатка в предположениях. Имена кандидатов пробегают диапазон от аксионов до зино, и любой, нашедший ответ, несомненно, будет оплачивать визит в Стокгольм. То, что никто еще не обнаружил частиц темной материи, устанавливает существенные ограничения на любое предположение. Причина в том, что темная материя не только расположена в удаленном пространстве; она распределена по всей вселенной, так что должна также доносится до нас здесь, на Земле. В соответствии со многими предположениями прямо сейчас миллиарды частиц темной материи простреливают ваше тело каждую секунду, так что жизнеспособными кандидатами являются только такие частицы, которые могли бы проникать через объемную материю не оставляя существенных следов.

Нейтрино являются одной из возможностей. Расчеты оценивают их реликтовое распространение со времен их производства в Большом взрыве в примерно 55 миллионов на кубический метр пространства, так что, если окажется, что один из трех видов нейтрино весит около одной сотой от миллионной (10–8) доли массы протона, они смогут заместить темную материю. Хотя недавние эксперименты дали сторогое доказательство, что нейтрино имеют массу, в соответствии с сегодняшними данными они слишком легкие, чтобы выполнить роль темной материи; они не дотягивают до нужной отметки на фактор более чем сто.