Этот сигнал из начала времен может изменить представления о нашей вселенной

Мир физики вчера пришел в неистовое возбуждение, когда прозвучало заявление о том, что астрономы засекли сигнал из начала времен. Вот такое крутое заявление. Возможно, даже круче, чем кажется. Возможно, это приведет нас к разгадке еще более умопомрачительных тайн вселенной.

Это открытие не только потрясло научное сообщество, но и в очередной раз доказало, что мы очень многого не знаем о нашей вселенной. Обычно трезвые и здравомыслящие ученые просто с ума посходили, рассказывая о том, насколько важны эти результаты. Они так же важны, как открытие бозона Хиггса, непосредственное обнаружение темной материи или открытие жизни на других планетах. Уже пошли разговоры о нобелевских премиях.

«Мне трудно представить более мощный, более знаковый результат эксперимента в фундаментальной физике, если не считать открытия новых измерений или нарушений законов квантовой механики», — написал в блоге по физике The Reference Frame его гость физик Лиам Макалистер (Liam McAllister) из Корнелльского университета.

Но прежде чем получить научную печать одобрения, эти результаты должны быть подтверждены независимой экспертной группой. Однако если тот же самый сигнал удастся увидеть в другой телескоп, это может оказать мощное влияние на многие области физики, включая вопрос о происхождении вселенной, квантовую гравитацию, физику элементарных частиц и вопрос о мультивселенной. Чтобы познакомиться с этим новым миром, давайте взглянем на то, как вчерашнее объявление может изменить наши представления о космосе.

Для начала, в ходе эксперимента BICEP2 на Южном полюсе удалось обнаружить первичные B-моды поляризации реликтового космического фона. Это характерная рябь света, возникшая всего через 380 000 лет после Большого взрыва. Обнаружение таких завихрений это монументальное достижение, но наибольшее впечатление на физиков произвели причины, по которым они появились. Это гравитационные волны, возникшие в первую микротриллионную долю секунды после Большого взрыва во время события, получившего название космологическая инфляция.

История об инфляции началась в 1920-е годы, когда астроном Эдвин Хаббл (Edwin Hubble) направил свой телескоп на ночное небо. Хаббл рассчитывал расстояние до различных галактик, когда заметил нечто странное. Казалось, что все галактики удаляются от Земли, и чем дальше находилась галактика, тем быстрее она двигалась. Это не значит, что наша Земля издает какие-то неприятные космические запахи, заставляющие вселенную брезгливо отодвигаться от нее. Поскольку движение относительно, мы можем себе представить, как это выглядит, когда мы находимся в каком-то из этих далеких мест, думая, что сидим неподвижно, а остальные галактики от нас отдаляются.

Хаббл обнаружил, что вселенная расширяется. Пространство между звездами и галактиками постоянно увеличивается. Это открытие на самом деле было предсказано несколькими годами ранее, когда Эйнштейн опубликовал свои уравнения общей относительности, которые определяют свойства пространства-времени. Данные уравнения показали, что вселенная не может оставаться неподвижной, ей нужно либо расширяться, либо сокращаться. Хотя сам Эйнштейн вначале не верил, что вселенная может расширяться, данные Хаббла вскоре убедили всех, что это действительно так.

То обстоятельство, что все в будущем будет дальше друг от друга, подразумевает, что в прошлом все было гораздо ближе друг к другу. Двинувшись в обратном направлении, ученые сделали вывод, что вселенная когда-то была гораздо меньше. В этой тесной ранней вселенной материя и энергия были сжаты вместе, становясь все плотнее, а поэтому все горячее. Близко к началу времен вселенная должна была стать плотнее и горячее, чем мы можем себе представить.

Но в 1940-х годах такая идея казалась ученым нелепой. Все в то время были уверены, что вселенная вечна, и что она не могла родиться в какую-то конкретную среду. Выступая в 1949 году на радио, астроном Фред Хойл (Fred Hoyle) иронически назвал эту модель «Большим взрывом». К сожалению, это название прилипло к данной теории и сохраняется до сих пор. Конечно, кроме наблюдений Хаббла, в то время было очень мало доказательств того, что вселенная начиналась как крошечный и очень плотный шар.

Так получилось, что в 1964 году ученые Арно Пензиас (Arno Penzias) и Роберт Вильсон (Robert Wilson) обозревали ночное небо в диапазоне радиоволн. Они постоянно замечали непонятный сигнал, который поступал отовсюду и сразу. Пензиас и Вильсон открыли космический фон в СВЧ-диапазоне, реликтовое излучение, оставшееся от более ранних времен во вселенной. Этот космический фон состоит из света, излученного сразу после того, как космос в достаточной мере остыл и рассеялся, чтобы фотоны могли беспрепятственно двигаться вперед. Это был сигнал, возникший спустя 380 000 лет после Большого взрыва. Реликтовое излучение вкупе с другими данными, в которых точно каталогизированы многочисленные элементы, возникшие в момент Большого взрыва, подтвердили идею о том, что вселенная зародилась как горячее и густое месиво.

Но когда ученые привыкли к теории Большого взрыва и согласились с ней, они поняли, что в ней есть несколько небольших проблем. Куда бы мы ни направляли свои телескопы, вселенная повсюду кажется одинаковой. Это не только скучно, это заставляет озадаченно чесать в затылке. Если капнуть чернилами в чашку с водой, они начнут распространяться и постепенно равномерно перемешаются с ней. Дело в том, что у чернил достаточно времени, чтобы достигнуть всех сторон чашки. Но вселенная это постоянно расширяющаяся чашка, и поэтому чернилам очень трудно распространяться равномерно. Более того, вселенная может расширяться быстрее скорости света, а поэтому как бы стремительно ни расплывались по ней «чернила», они никогда не смогут распространиться идеально.

Но как удалось чернилам вселенной, состоящим из материи и энергии, выполнить эту невыполнимую задачу и распространиться равномерно? Ведь даже на самом раннем этапе существования вселенной, когда все космическое пространство было всего лишь песчинкой меньше атома, ничто не могло перемещаться достаточно быстро, чтобы распространиться равномерно.

В конце 70-х, начале 80-х годов несколько отважных физиков нашли решение. Они предположили, что на самом раннем этапе вселенная была даже меньше, чем мы думаем. Материя и энергия могли циркулировать и выравниваться. Но через 10-35 секунд после Большого взрыва внезапно произошло умопомрачительное расширение, как будто предмет размером с наш компьютер вырос до размеров обозримой вселенной. Такое стремительное расширение назвали инфляцией.

Эта инфляционная теория решила вопрос о том, каким образом вселенная стала такой однородной, а также дала ответы на другие трудные вопросы, вытекающие из модели Большого взрыва. Например, физики давно уже искали необычные частицы типа магнитных монополей (представьте себе магнит, где есть север, а юга нет), рассчитав, что они должны были возникнуть в ранней вселенной. В результате инфляционного расширения эти частицы могли настолько сильно рассредоточиться в космическом пространстве, что у нас сегодня нет никаких шансов засечь их.

Но в инфляционной теории есть и свои собственные вопросы. А именно, с какой стати вселенная взорвалась и стала такой огромной? Ученые предположили, что существует некое новое поле, типа того, что создается бозоном Хиггса, который придает частицам их массу, и единственное предназначение этого поля — вызывать инфляцию. Никто такого поля пока не видел, но астрономы коллективно подумали: «Конечно, а почему бы и нет?», потому что идея инфляции была исключительно полезной.

Она на самом деле оказалась настолько полезной, что последние лет 20 ее считают вопросом вполне решенным. Взгляните на любой график последних лет по истории вселенной, и вы обязательно увидите в его начале участок с пометой «инфляция» (иногда ученые ставят там вопросительный знак, если это честные ученые). Но несмотря на все успехи теории инфляции, она по-прежнему остается в категории «хороших идей, которые были бы просто замечательными, окажись он верны».

Но в связи с прозвучавшим вчера заявлением инфляция обрела более прочную основу. Закономерные завихрения, обнаруженные в поляризации света космического фона СВЧ-диапазона, указывают на то, что эти фотоны были закручены колоссальными гравитационными волнами. Данные волны должны были откуда-то прийти, и самым правдоподобным источником может быть инфляционный период, когда пространство-время создавало рябь, расширяясь огромными темпами. Если это открытие получит свое подтверждение, появятся доказательства того, что инфляция действительно имела место. А это позволит ученым точно вычислить, насколько большим и быстрым было это расширение.

Это подводит нас к другой причине, по которой результаты эксперимента BICEP2 настолько интригующи. Они дают нам самое убедительное доказательство существования гравитационных волн во вселенной. Гравитационные волны — это такая «рябь пространства-времени», которая расходится в космосе, неся с собой энергию. Хотя астрономы видели, как энергетические пульсары могут подавать сигнал гравитационным волнам, надежного и прямого способа увидеть их не существует.

Гравитационные волны для сил гравитации являются тем же самым, чем световые волны являются для электромагнитных сил. Световые волны можно представить в качестве потока частиц, известных как фотоны. Точно так же, существование гравитационных волн подразумевает наличие гипотетической гравитационной частицы под названием гравитон. Физикам очень хочется, чтобы такой гравитон существовал. Он будет чрезвычайно полезен для понимания всего — от черных дыр до галактических орбит. Но поскольку гравитоны очень слабы, и их сложно обнаружить, они вот уже почти 80 лет упорно продолжают существовать только в теории. Любая теория, описывающая принцип их действия, в итоге заканчивается извержением математической тарабарщины. Данные о первичных B-модах поляризации реликтового космического фона помогут объяснить, почему наши теории квантовой гравитации неизменно рассыпаются в пух и прах.

Вместе с гравитонами новые результаты станут настоящим подарком для физиков элементарных частиц. Гравитационные волны от инфляции возникали в ранней вселенной в исключительно энергичный период. В то время космос представлял собой суп из элементарных частиц, в каждой из которых было 1016 миллиардов электронвольт энергии. Для сравнения: у большого адронного коллайдера пиковая выработка энергии составляет 14 миллиардов электронвольт. В некоторых теориях говорится, что при такой энергетической мощи три из четырех фундаментальных сил — электромагнитная сила, слабое ядерное взаимодействие и сильное ядерное взаимодействие — смешались воедино, создав некую суперсилу. Информация о первичных B-модах позволит ученым исследовать энергии, на создание которые они не могли даже надеяться, пользуясь земными ускорителями частиц.

Подобно тому, как большой адронный коллайдер ищет признаки новых субатомных частиц, открытия в рамках проекта BICEP2 могут подтвердить существование таких элементарных частиц, которые мы никогда прежде не наблюдали. А именно, ученые полагают, что должна быть такая частица, которая призвана вызывать инфляцию. Ее назвали инфлятон. Если новые результаты подтвердят инфляционную теорию, это станет первым доказательством для физики за рамками Стандартной модели, которая в настоящее время является общепринятой теоретической конструкцией, описывающей в физике взаимодействие всех элементарных частиц и сил. Ученые ищут эти данные при помощи большого адронного коллайдера, но пока они ничего не нашли.

И наконец, результаты эксперимента BICEP2 сегодня называют возможным способом для подтверждения или опровержения теории существования мультивселенной. Данная теория гласит, что за пределами нашей собственной вселенной существует великое множество других вселенных. Некоторые теории говорят о том, что наше космическое пространство родилось, когда оторвалось от более раннего пространства, и что новые вселенные появляются постоянно. У этой теории, носящей название вечная инфляция, есть много приверженцев в научном сообществе физиков. Но и противников у нее тоже немало, и пока не совсем понятно, как можно интерпретировать новые результаты в отношении мультивселенной. Как и все прочее в этой умозрительной теории, результаты эксперимента BICEP2 появились слишком рано, и пока ничего определенного они доказать не могут.