Ткань космоса. Пространство, время и текстура реальности - Брайан Грин

Согласно инфляционной теории более чем 100 млрд галактик, сияющих в пространстве как небесные бриллианты, являются не чем иным, как росписью квантовой механики. По моему мнению, осознание этого является одним из величайших чудес современной научной эпохи.

Золотой век космологии

Впечатляющее доказательство этих идей исходит из прецизионных спутниковых наблюдений температуры микроволнового фонового излучения. Я неоднократно подчёркивал, что температура излучения в одной части неба совпадает с температурой в другой части с высокой точностью. Но сейчас я хочу отметить, что в четвёртом знаке после запятой температура различных областей является разной. Точные измерения, впервые[68] выполненные в 1992 г. на спутнике COBE (the COsmic Background Explorer — исследователь космического фона) и совсем недавно на спутнике WMAP (Wilkinson Microwave Anisotopy Probe — зонд для изучения реликтового излучения имени Вилкинсона), показали, что в то время как в одной области пространства температура может быть 2,7249 K, в другой области она может быть 2,7250 K, а в третьей — 2,7251 K.

Самым удивительным является то, что эти крайне малые температурные вариации следуют закону, который может быть объяснён, если связать его с тем же механизмом, который был предложен для объяснения начала формирования галактик: с квантовыми флуктуациями, сильно растянутыми за счёт инфляции. Грубо говоря, идея состоит в том, что когда мельчайшая квантовая дрожь размазывается по огромным пространствам, получается, что она делает его немного теплее в одной области и немного холоднее в другой (фотоны, полученные из чуть более плотной области, тратят больше энергии, преодолевая немного более сильное гравитационное поле, а потому их энергия и температура немного меньше, чем у фотонов, полученных из менее плотной области). Физики провели точные вычисления, основанные на этом предположении, и получили предсказание того, как температура микроволнового излучения должна была бы меняться от места к месту на небе. Это показано на рис. 11.1а. (Хотя детали не существенны, всё же укажем, что горизонтальная ось связана с угловым расстоянием между двумя точками на небе, а вертикальная ось связана с соответствующим различием температур). На рис. 11.1б эти предсказания сравниваются со спутниковыми наблюдениями, представленными маленькими ромбиками, и, как вы можете видеть, имеется блестящее совпадение.

Рис. 11.1. (а) Предсказание инфляционной космологией температурных вариаций микроволнового фонового излучения от одной точки на небе к другой. (б) Сравнение этого предсказания с основанными на спутниках наблюдениями

Я надеюсь, у вас перехватило дух от такого соответствия теории и наблюдения, а если нет — то, значит, я не смог передать всю удивительность этого результата. Поэтому, на всякий случай, позвольте мне ещё раз подчеркнуть, что здесь получается: телескопы, установленные на спутниках, недавно измерили температуру микроволновых фотонов, которые добирались до нас, не встречая препятствий, около 14 млрд лет. Было обнаружено, что фотоны, прибывающие с разных направлений, имеют почти одинаковую температуру, отличающуюся не более чем на несколько десятитысячных градуса. Более того, наблюдения показали, что эти крохотные различия в температуре рисуют определённую картину на небе, соответствующую упорядоченной последовательности ромбиков на рис. 11.1б. И, чудо из чудес, расчёты, проделанные сегодня на основании инфляционной схемы, способны объяснить картину этих ничтожных температурных вариаций — вариаций, возникших около 14 млрд лет назад, — и, наконец, ключом к этому объяснению является дрожь, возникающая из квантовой неопределённости. Здорово!

Этот успех убедил многих физиков в правильности инфляционной теории. И, что в равной степени важно, эти и другие точные астрономические измерения, которые стали возможными совсем недавно, позволили космологии перейти из области, основанной на спекуляциях и предположениях, в область, твёрдо основанную на наблюдениях, — наступило такое время, которое заставило многих работающих в этой области физиков назвать его золотым веком космологии.

Создание Вселенной

С таким прогрессом у физиков возникло желание посмотреть, как далеко может зайти инфляционная космология. Может ли она, например, решить основную загадку, заключённую в вопросе Лейбница: почему вообще существует Вселенная? Пожалуй, для нашего текущего уровня понимания, это слишком много. Даже если космологическая теория смогла бы наметить дорогу к решению этого вопроса, мы могли бы спросить, почему именно эта частная теория — её допущения, её ингредиенты и уравнения — имеет отношение к делу, так что это просто сдвинуло бы вопрос о начале на один шаг дальше. Если бы наша логика каким-то образом требовала, чтобы Вселенная существовала и управлялась уникальным набором законов, тогда, возможно, мы имели бы действительно нечто убедительное. Но на сегодняшний день это только сладкие мечты.

Другой относящийся ко всему этому, хотя и менее амбициозный, вопрос гласит: откуда взялась материя/энергия, наполняющая Вселенную? Хотя инфляционная космология не даёт исчерпывающего ответа, она ставит этот вопрос новым интригующим способом.

Чтобы понять, как это происходит, представим себе огромную прямоугольную комнату, в которой снуют многие тысячи непрерывно бегающих и прыгающих детей. Представьте, что комната совершенно непроницаемая, так что ни тепло, ни энергия не могут выйти наружу, но стены комнаты могут двигаться. Когда дети непрестанно врезаются в каждую из стен комнаты — сотни за раз, и ещё сотни немедленно вслед за этим, — комната постоянно расширяется. Теперь вы можете ожидать, что, поскольку стены непроницаемы, полная энергия, заключённая в снующих детях, будет оставаться внутри расширяющейся комнаты. В конце концов, куда ей деться? Но, хотя это резонное предположение, оно не совсем верно. Есть одно место, куда может уходить энергия. Дети тратят энергию, каждое мгновение вколачивая её в стены, и большая часть этой энергии преобразуется в движение стен. Само расширение комнаты поглощает и поэтому истощает энергию детей.

Теперь представьте, что несколько проказников решили немного изменить положение дел. Они соединили толстыми резиновыми лентами противоположные стены комнаты, движущиеся наружу. Резиновые ленты оказывают направленное внутрь, отрицательное давление на стены комнаты, которое действует в точности противоположно направленному наружу положительному давлению, которое производят дети; вместо того чтобы переводить энергию в расширение комнаты, отрицательное давление резиновых лент «всасывает» энергию расширения. Когда комната расширяется, резиновые ленты натягиваются сильнее, что означает, что они заключают в себе возрастающее количество энергии.

Конечно, на самом деле мы интересуемся не расширяющимися комнатами, но расширяющейся Вселенной. И наши теории говорят нам, что пространство заполнено не толпами детей и множеством резиновых лент, а, в зависимости от космологической эпохи, однородным океаном поля инфлатона или горячими обычными частицами (электронами, фотонами, протонами и т. п.). Тем не менее одно простое наблюдение позволяет применить к космологии выводы, которые мы получили для комнаты. Точно так же, как быстро движущиеся дети производят работу против направленных внутрь сил со стороны стен комнаты при расширении, быстро движущиеся частицы в нашей Вселенной работают против направленных внутрь сил, когда расширяется пространство: они работают против сил гравитации. Это наводит на мысль (и математика это подтверждает), что можно провести аналогию между Вселенной и комнатой с детьми, заменив силу гравитации стенами комнаты.

Таким образом, точно так же, как полная энергия, заключающаяся в детях, падает вследствие её постоянной перекачки в энергию стен при расширении комнаты, полная энергия, переносимая обыкновенными частицами материи и излучения, падает вследствие её постоянного перекачивания в гравитацию, когда расширяется Вселенная. Более того, мы видим, что точно так же, как изготовленные проказниками резиновые ленты создают отрицательное давление внутри расширяющейся комнаты, однородное поле инфлатона создаёт отрицательное давление внутри расширяющейся Вселенной. Поэтому точно так же, как полная энергия, содержащаяся в резиновых лентах, возрастает при расширении комнаты, поскольку она отбирает энергию у его стен, полная энергия, заключённая в поле инфлатона, возрастает, когда Вселенная расширяется, поскольку оно извлекает энергию из гравитации.[69]