Бог и Мультивселенная. Расширенное понятие космоса - Виктор Стенджер

В 1976 году этот прибор несколько раз брали на борт самолета-разведчика «Локхид У-2». В ходе таких полетов на скорости 600 м/с удалось зафиксировать различия в температуре, обусловленные движением Млечного Пути, воздействующим в том числе на наше Солнце и Землю сквозь фоновое поле реликтового излучения. Это так называемая дипольная анизотропия, заключающаяся в том, что под влиянием доплеровского эффекта частота РИ смещается в синюю сторону с той стороны, в которую мы движемся, и в красную — со стороны, от которой удаляемся{262}.

В середине 1970-х Смут с коллегами предложили НАСА разработать спутник под названием СОВЕ (Cosmic Microwave Background Explorer — «Космический исследователь микроволнового фона»). Этот космический аппарат должен был нести на борту три основных прибора:

♦ избирательный микроволновой радиометр (Differential Microwave Radiometer, DMR), представляющий собой улучшенную версию предыдущего прибора Смута для измерения колебаний температуры РИ в различных областях неба на трех длинах волн: 3,3,5,7 и 95 мм;

♦ спектрофотометр в далеком инфракрасном диапазоне (Far-Infrared Absolute Spectrophotometer, FIRAS), измеряющий характеристики спектра в диапазоне длин волн 0,1–10 мм;

♦ многоволновой датчик для получения распределения излучения пыли по небесной сфере в инфракрасном диапазоне (Diffuse Infrared Background Experiment, DIRBE) для поиска космического инфракрасного фонового излучения в диапазоне длин волн 1,25–240 мкм.

После значительной задержки, вызванной катастрофой шаттла «Челленджер» и другими проблемами, 18 ноября 1989 года обсерватория СОВЕ была запущена с помощью ракеты-носителя «Дельта». Так началась следующая изумительная глава в познании космоса человеком.

Глава 13. ПАДАЯ ВВЕРХ 

Морщины времени

В начале 1990-х годов скептики, имевшие собственные излюбленные теории, продолжали ставить под сомнение как модель Большого взрыва, так и теорию инфляции{263}. На встрече Американского астрономического общества, проходившей в январе 1990 года в Арлингтоне, штат Виргиния, Джон Мазер, научный руководитель проекта FIRAS, одного из трех приборов, находившихся на борту обсерватории СОВЕ, представил первые результаты, полученные с помощью этого космического аппарата. В своей книге «Морщины времени» (Wrinkles in time) Джордж Смут и Кей Дэвидсон описывают момент, когда Мазер продемонстрировал график, изображенный на рис. 13.1: «Когда на экране проектора возникло изображение, на мгновение в воздухе повисла тишина. Затем публика встала и раздался взрыв аплодисментов»{264}. Чернотельная природа реликтового излучения окончательно подтвердилась{265}.

Спектр реликтового излучения согласно измерениям СОВЕ

Рис. 13.1. Спектр реликтового излучения, измеренный с помощью спектрофотометра в далеком инфракрасном диапазоне (FIRAS). Нижняя шкала соответствует обратной длине волны, которая прямо пропорциональна ее частоте. Кривая соответствует планковскому спектру черного тела для температуры 2,75 К. Изображение предоставлено Центром космических полетов Годдарда 

В тот момент казалось, что истинность теории Большого взрыва уже нельзя поставить под сомнение. Ни одна предложенная альтернатива не способна была объяснить эти результаты без необходимости в специально сделанных допущениях. Однако инфляционная модель все еще оставалась под угрозой опровержения.

Ее заклятые противники, в том числе известные астрономы Фред Хойл и Джефри Бербидж, чей великий вклад в разработку модели звездного нуклеосинтеза не стоит преуменьшать, продолжали высказываться на этот счет и даже утверждать, что инфляционная модель уже опровергнута, поскольку подтверждающие ее эмпирические данные отсутствуют.

Но они слегка погорячились.

Двадцать третьего апреля 1992 года Смут выступил перед полным залом на собрании Американского физического сообщества в городе Вашингтоне, показав серию карт РИ. Как и в случае с его коллегой Джоном Мазером двумя годами ранее, Смуту аплодировали стоя, когда он продемонстрировал эффекты, названные им морщинами времени, полностью подтвердившие прогнозы инфляционной модели.

Стивен Хокинг с некоторым преувеличением назвал это «научным открытием века, если не всех времен». Смут сказал, что это было «как будто увидеть Бога»[20]. Газета National Enquirer[21] (или какое-то подобное издание) опубликовала свою версию этой новости — лик Иисуса в небесах.

Предсказанные инфляционной космологией различия в температуре реликтового излучения после 10 лет напряженных поисков наконец подтвердились{266}. В 2006 году Мазер и Смут получили Нобелевскую премию по физике.

В книге Алана Гута «Инфляционная Вселенная» представлена упрощенная версия графика результатов, полученных обсерваторией СОВЕ. С разрешения автора она приведена на рис. 13.2{267}. Здесь представлена зависимость разности температуры реликтового излучения, возведенной в квадрат и усредненной по всем направлениям, от угла между двумя направлениями, измеренного с помощью дифференциального радиометра, в диапазоне от 0 до 180 градусов. Полученные данные полностью соответствуют форме графика, предсказанной теорией инфляции, хотя в книге Гут ничего не говорит об абсолютном значении эффекта, которое на рисунке было скорректировано, чтобы соответствовать данным.

Рис. 13.2. Зависимость различий в температуре реликтового излучения, возведенных в квадрат и усредненных по всем направлениям, от угла между двумя направлениями, измеренного с помощью дифференциального радиометра, в сравнении с прогнозами инфляционной модели. Абсолютные значения скорректированы таким образом, чтобы соответствовать данным. Изображение предоставлено Аланом X. Гутом

Однако вскоре стало понятно, что, если не будет обнаружено отклонение от основного реликтового фона хотя бы на 1/100000, инфляционная модель будет всерьез поставлена под сомнение, если не опровергнута.

В науке считается, что модель, которую нельзя опровергнуть, нельзя назвать научной. Но когда модель успешно проходит рискованное испытание, способное ее развенчать — такое, как описанное, — она зарабатывает право на серьезное отношение со стороны ученых. Но тут все же следует вставить предостерегающую ремарку, основанную на историческом опыте науки. Даже если модель проходит фальсификационную проверку, это не значит, что она утвердилась окончательно и что однажды ее не вытеснит более качественная модель. Однако, как мы вскоре увидим, в качестве составной части полноценной космологической модели инфляционная теория все еще предоставляет больше возможностей, чем может любая другая альтернативная модель.

В работе, интерпретирующей полученные результаты, рабочая группа СОВЕ сопоставляет данные своих наблюдений с множеством предложенных моделей. В результате было обнаружено, что измеренные значения анизотропии слишком велики по сравнению с неоднородностями, найденными в ходе галактических обзоров, следовательно, они должны иметь первичную природу. Ученые сделали вывод, что обсерватория СОВЕ предоставила «самые первые сведения о начальной стадии жизни Вселенной, вплоть до 1035 с после Большого взрыва»{268}.

Вначале ученые сочли, что, учитывая наблюдаемую плотность материи, первичных флуктуации в период инфляционного расширения порядка 10 5 было бы недостаточно, чтобы сформировались галактики. Однако ответ нашелся очень быстро (на самом деле кто-то из слушавших выступление Смута выкрикнул его вслух): «Темная материя!»

Как много ее требовалось? Как мы скоро узнаем, в точности столько, сколько, по-видимому, существует, — примерно в пять раз больше массы видимого вещества{269}.

Как показано на рис. 13.2, для углов порядка 30° распределение преимущественно плоское, что подтверждает предсказанную масштабную инвариантность. У нас нет нужды рассматривать этот спектр детальнее, поскольку в последующих экспериментах, о которых мы еще поговорим, получили существенно более качественные данные и, работая с меньшими углами, открыли структуру, определяющую раннюю Вселенную во всех подробностях.

Новые окна во Вселенную

Наблюдения РИ были не единственным значимым достижением 1990-х, еще одного знаменательного для астрономии и космологии десятилетия. Я лишь кратко упомяну несколько отдельных примеров, касающихся главным образом космологии.

В 1990-м шаттл «Дискавери» доставил на орбиту космический телескоп «Хаббл» (Hubble Space Telescope, HST). К сожалению, у его главного зеркала обнаружился серьезный дефект, требовавший ремонта прямо на орбите. Эта работа была выполнена в 1994 году командой еще одного космического шаттла — впечатляющее достижение. На мой взгляд, это был самый серьезный вклад в науку в период действия всей программы шаттлов. Другие экспедиции по обслуживанию телескопа «Хаббл» осуществлялись в 1997,1999,2002 и 2009 годах.