Бог и Мультивселенная. Расширенное понятие космоса - Виктор Стенджер

В начале 1970-х ряд авторов выдвинул предположение, что галактики сформировались вследствие флуктуации плотности первичной материи в ранней Вселенной. Поскольку отношение давления среды к ее плотности описывается уравнением состояния, флуктуации плотности создают флуктуации давления, которые есть не что иное, как звук. Часто можно услышать, что Большой взрыв (англ. big bang — «большой бабах») — ошибочное название, поскольку взрывы в космосе беззвучны. Но Большой взрыв на самом деле породил звуковые волны, которые можно услышать.

Как заметил еще Пифагор, звуки, издаваемые музыкальными инструментами, можно разложить на гармонические составляющие, где каждая гармоника — это чистый звук определенной частоты или высоты. То же самое верно для любого звука, хотя их гармоники обычно не так чисты, как гармоники звуков, издаваемых музыкальными инструментами. Распределение мощности звука по разным частотам задается функцией, называемой спектральной плотностью мощности.

Математический метод, называемый преобразованием Фурье, разработанный французским математиком Жаном Батистом Фурье (1768–1830), широко используется физиками и инженерами во многих областях помимо акустики. Преобразование Фурье позволяет превратить любую пространственную или временную функцию в функцию длины волны или частоты. Если функция имеет периоды во времени или пространстве, пиковые значения спектрального графика будут соответствовать определенным частотам или длинам волн.

В 70-х годах ХХ века Эдвард Харрисон{209} и Яков Зельдович{210} независимо предсказали, что спектр звука, порожденного флуктуациями плотности во Вселенной, должен характеризоваться так называемой масштабной инвариантностью. В общем случае масштабная инвариантность — это принцип, который применяется во многих областях, от физики до экономики. Он касается любой характеристики системы, которая не изменяется при изменении ее переменных в одинаковое число раз. К примеру, законы механики Ньютона не изменятся, если единицы измерения пространства перевести из метров в футы. Масштабная инвариантность — это еще один принцип симметрии.

Но масштабная инвариантность соблюдается не всегда. При условии одинакового биологического строения высота, на которую может прыгнуть животное, практически не зависит от его размеров. То есть она не масштабируется. Этот принцип, известный как закон Борелли, был предложен Джованни Альфонсо Борелли (1608–1679). В своей классической работе 1917 года «О росте и форме» Д’Арси Вентворт Томпсон пишет: «Кажется, что кузнечик так же приспособлен для прыжков, как и блоха… однако блоха прыгает на высоту примерно в 200 раз больше своего роста, в то время как кузнечик — в лучшем случае в 20–30 раз»{211}.

Хотя Харрисон и Зельдович в своих работах изложили эту идею в более сложных терминах, по сути, они указали на то, что флуктуации плотности в пределах Вселенной не должны зависеть от масштаба Вселенной, увеличивающегося по мере ее расширения. Если бы колебания плотности были сильнее в прошлом или будущем, отдельные участки Вселенной схлопнулись бы, превратившись в черные дыры.

Спектр мощности Харрисона — Зельдовича выражается через волновое число (также называемое пространственной частотой) k = 2π/λ, где λ — длина волны. (Не следует путать эту k с коэффициентом кривизны k.) Предполагается, что спектральная плотность излучения должна быть пропорциональна kn, где n — спектральный индекс. Масштабная инвариантность предполагает, что n = 1.

Итак, как же мы рассчитываем «услышать» эти первозданные звуки? В 1966 году, после открытия реликтового излучения, Райнер Сакс и Артур Вольфе доказали, что неоднородность плотности Вселенной может вызвать флуктуации температуры РИ, так как фотоны, переходящие в область с более высоким гравитационным потенциалом, смещаются в красную сторону, а те, что переходят в область с более низким потенциалом, — в синюю{212}.

Сакс и Вольфе не думали о первичных флуктуациях. Однако оказалось, что благодаря РИ, которое само по себе стало одним из важнейших достижений в истории науки, можно будет проследить эти первичные флуктуации до того момента, когда Вселенной было всего 10-35 с, и увидеть, как галактики и другие сгустки материи сформировались миллиарды лет спустя в результате этих флуктуации. Чтобы объяснить возникновение галактик, относительное изменение температуры излучения, наблюдаемого сегодня, должно составлять не менее ΔT/T = 10-5 — такова оценка ученых{213}.

Гравитационное линзирование

Одно из самых впечатляющих предсказаний общей теории относительности было таким: лучи света отклоняются под воздействием гравитационного поля Солнца. В 1936 году Эйнштейн указал на то, что свет, изогнутый под воздействием астрономических тел, может образовывать множественные изображения. В 1937 году Фриц Цвикки предположил, что скопление галактик может создавать эффект гравитационной линзы. Однако это явление было обнаружено только в 1979 году астрономами из Национальной обсерватории «Китт-Пик» в штате Аризона. Они сфотографировали два объекта, оказавшихся квазарами, расположенные необычайно близко друг к другу, с одинаковыми красным смещением и спектром, что свидетельствовало: на самом деле это один и тот же объект. С тех пор было обнаружено множество случаев линзирования.

В 2013 году с помощью телескопа, установленного на Южном полюсе и получившего довольно очевидное название «Телескоп Южного полюса», в поляризации РИ был обнаружен статистически значимый вихревой паттерн, названный В-модой, вызванный линзированием от вмешивающихся структур Вселенной{214}. Эти наблюдения подтвердились в 2013 и 2014 годах в ходе проведенного в Чили эксперимента, названного Polarbear («Полярный медведь»){215}. В главе 14 мы вернемся к гравитационному линзированию, а также обсудим последние результаты исследования гравитационных волн на Южном полюсе, в число которых входит обнаружение В-моды поляризации реликтового излучения.

Невидимая Вселенная

Мы уже знаем, каким образом астрономы 1930-х годов обнаружили, что во Вселенной присутствует намного больше материи, чем та, которая представлена светящимся веществом в галактиках — звездами и горячим газом. Данные наблюдений просто не укладывались в ньютоновские законы механики и всемирного тяготения, но мало кто стал бы утверждать, что их в каком-либо смысле опровергли. Фриц Цвикки окрестил этот невидимый источник гравитации duncklematerie — темная материя.

Никаких серьезных результатов в этой области не было получено до 1970-х годов, когда радиоастрономы в нидерландском Гронингене занялись исследованием 21-сантиметровой сверхтонкой линии в спектрах нейтральных молекул водорода из разных галактик. Согласно их измерениям, для большой выборки галактик была характерна плоская кривая вращения{216}. Кривая вращения представляет собой график зависимости вращательной скорости звезды, которая вызывает доплеровское смещение наблюдаемой спектральной линии, от расстояния между этой звездой и центром галактики. Согласно законам Ньютона у звезд, находящихся дальше от центра, этот показатель должен быть ниже, так же как скорости планет Солнечной системы снижаются с увеличением расстояния до Солнца, где находится большая часть общей массы Солнечной системы. Но вместо этого скорости оставались по большей части постоянными.

Это наблюдение объясняется тем, что галактики имеют гало, состоящие из невидимой темной материи, которое распространяется за пределы плотной светящейся области в центре. Невидимой материей едва ли можно пренебречь. Теперь нам известно, что она составляет 90% массы изученных галактик. Как мы выясним в дальнейшем, благодаря гравитационному линзированию, описанному в предыдущем разделе, были получены прямые доказательства существования темной материи.

Тем временем американский астроном Вера Рубин и ее коллеги провели систематическое исследование вращения спиральных галактик в оптическом спектре и обнаружили тот же эффект. Ученым было хорошо известно, что многие астрономические тела, к примеру планеты, коричневые карлики, черные дыры, нейтронные звезды, не излучают свет напрямую или излучают крайне мало. Однако было понятно, что для того, чтобы объяснить значение общей массы, вычисленное методом ньютоновской динамики, этого вряд ли достаточно.

Более того, существовали независимые данные, указывающие на то, что большая часть темной материи не может состоять из известных нам атомов, но должна представлять собой нечто до сей поры неизвестное. Эти данные появились благодаря тому же источнику, который, как мы узнали из главы 10, обеспечил надежное подтверждение Большого взрыва, — первичному нуклеосинтезу.