Открываем новую рубрику «Интеллектуальный час» — для тех, кто любит науку. Мы будем рассказывать о том, как устроена Вселенная и какие процессы в ней происходят, о секретах физики и астрофизики, математики, статистики, психологии и философии, об искусственном интеллекте. Если ваш ум радуется от слов «знания», «репрезентативность», «черное тело», «уравнение», «нетранзитивный» и «кванты» — эта рубрика для вас.
Сегодня узнаем чуточку больше о Большом взрыве, реликтовом излучении и инфляции, «раздувании», Вселенной: лектором будет Джон Гриббин, астрофизик из Великобритании, автор научно-популярной литературы о квантовой физике, эволюции, происхождении Вселенной, климатических изменениях и других темах, в том числе недавно вышедшей на русском языке книги «13.8. В поисках истинного возраста Вселенной и теории всего».
Реликтовое излучение. Начало
Первым спутником Земли, запущенным специально для изучения реликтового излучения еще в 1983 году, стал советский «РЕЛИКТ-1». Он доказал осуществимость подобных миссий, но был недостаточно чувствительным, чтобы подтвердить неоднородность излучения в разных точках неба. А сделать это было необходимо, ведь если излучение действительно было отзвуком Большого взрыва, оно должно хранить следы колебаний ранних дней Вселенной, которая развивалась, порождая галактики, которые мы видим сегодня.
К началу 1980-х годов космологов уже тревожила кажущаяся излишняя равномерность реликтового излучения: вытекавшая из нее плоскостность Вселенной — баланс между расширением и сжатием — казалась слишком идеальной моделью.
Критическая плотность, необходимая для плоскостности Вселенной, должна меняться со временем (она неодинакова для разных космических эпох). Уравнения Эйнштейна говорят нам, что если вселенная рождена из Большого взрыва и ее плотность чуть-чуть больше необходимой для плоской модели, то это отклонение со временем будет возрастать, поскольку наличие излишней материи станет замедлять расширение и поддерживать высокую плотность пространства.
И наоборот, если изначально плотность вселенной чуть меньше критической, эта разница начнет увеличиваться в другую сторону, заставляя материю распределяться все менее и менее плотно. Абсолютная плоскостность — наименее вероятная модель из всех возможных.
Проблема №1, или Еще кое-что о Вселенной
Хотя все и раньше знали об этой проблеме, никто не придавал ей большого значения до тех пор, пока Роберт Дикке и Джим Пиблс, два принстонских исследователя, занимавшихся обнаружением реликтового излучения в середине 1960-х годов, в конце 1970-х не привлекли к ней внимание ученых.
В попытках объяснить плоскостность современной Вселенной, ранее исследователи пришли к выводу, что плотность во время Большого взрыва должна была составлять не более одной квадриллионной (1/10 в 15 степени) от критической плотности для того времени. Было очевидно, что этот показатель может сообщить нам нечто важное о рождении Вселенной, но никто не знал, что именно, — вплоть до 6 декабря 1979 года.
Алан Гут, американский физик и космолог, впервые предложивший идею космической инфляции, молодой исследователь из Корнелльского университета, весной того же года присутствовал на лекции Дикке о проблеме плоской Вселенной. Заинтригованный этой загадкой мироздания, он все время держал ее в голове и старался читать о космологии как можно больше.
Знания о физике частиц стали увязываться в его голове с космологическими данными, и 6 декабря после обсуждения любимой темы с приехавшим из Гарварда Сидни Коулманом его осенило.
Он просидел за рабочим столом до утра и в пятницу, 7 декабря 1979 года, внес в записную книжку под громким заголовком «ПОТРЯСАЮЩЕЕ ПРОЗРЕНИЕ» свое действительно важное открытие.
Он понимал, что натолкнулся на нечто очень важное. Гут понял, что при создании Вселенной в первую долю секунды произошел процесс, называемый нарушением симметрии, и в его рамках — фазовый переход, подобный тому, как пар конденсируется в воду и выделяет энергию. Именно мощное выделение энергии запустило процесс стремительного расширения — Гут назвал его инфляцией, буквально «раздуванием», — закончившийся Большим взрывом. (Инфляцию часто включают в понятие Большого взрыва, но важно понимать, что она предшествовала ему.)
Инфляция Вселенной
Как это происходило? Давайте рассмотрим подробнее. В процессе раздувания размер Вселенной увеличивался по экспоненте, удваиваясь каждую 10 в минус 38 степени долю секунды, то есть все в наблюдаемой нами Вселенной «надулось» из некоего первичного состояния в миллиард раз меньше протона до размера баскетбольного мяча примерно за 10 в минус 30 степени секунды (при этой скорости за примерно такой же срок теннисный мячик мог бы увеличиться до размеров видимого космоса). И только тогда произошел Большой взрыв. Эту идею дальше развил американец русского происхождения Андрей Линде и другие исследователи.
Видимая нами Вселенная столь однородна потому, что она образовалась из столь крохотного состояния, в котором не было условий для разницы плотностей.
Эта модель также решает и проблему плоскостности: инфляция уплощает Вселенную таким же образом, как становится плоской поверхность надуваемого шарика или любой другой растущей сферы. Поверхность теннисного мячика, представляющая собой двухмерный объект, обернутый вокруг третьего измерения, явно имеет круглую форму, но если мы надуем его до размеров видимой Вселенной и попытаемся исследовать его поверхность, то никакие измерения не смогут заметить ее отклонение от плоскостности.
То же происходит и с реальной Вселенной, только в трех, а не в двух измерениях (Такая модель также предлагает решение проблемы горизонта, поскольку далеко разнесенные части Вселенной оказываются связанными ранее, но разделенными сверхбыстрым растяжением пространства. Это растяжение происходило в определенном смысле быстрее скорости света, но ничто не может двигаться через пространство быстрее света. Это убедительное доказательство существования инфляции обнаружил Сэндидж, а затем оно было подтверждено наблюдениями.)
Само же первичное состояние в рамках этой модели может объясняться так называемой квантовой флуктуацией — небольшим искажением ткани пространственно-временного континуума, которое не успело исчезнуть и подверглось инфляции.
Квантовые флуктуации и Большой взрыв
В довершение всего во время инфляции в зарождающейся Вселенной возникают новые квантовые флуктуации, которые тоже подвергаются инфляции, оставляя рябь на структуре материи, с которой затем происходит Большой взрыв. Эта рябь, часто именуемая анизотропией, становится зачатком таких структур, как галактики (точнее, скопления и сверхскопления галактик), и она должна была оставить свой след в реликтовом излучении.
Если попытаться отследить историю Вселенной, основываясь на флуктуациях наблюдаемого сегодня излучения, надо ориентироваться на разницу в температуре этого излучения в разных частях неба.
Эта температура составляет примерно одну стотысячную часть, то есть для температуры около 2,7 К колебания составят 土0,00003 К. Если же идти от теории инфляции, можно предсказать, где именно на небе будут видны следы этих «раздутых» квантовых флуктуаций. Инфляция должна была оставить на небосклоне явный отпечаток, если только у нас есть достаточно точные датчики, чтобы уловить его. Неудивительно, что «РЕЛИКТ-1» (кстати, «РЕЛИКТ-2» так и не был запущен) не сумел зафиксировать эти тончайшие отклонения. Но уже у следующего спутника, запущенного для изучения реликтового излучения, были более чувствительные датчики.
Еще больше об исследованиях Вселенной, определении ее возраста и реликтовом излучении Джон Гриббин рассказывает в своей книге: детально и без лишних упрощений.
По материалам книги «13.8. В поисках истинного возраста Вселенной и теории всего»
Обложка поста: pexels
