Маленькая книга о Большом взрыве - Тони Ротман
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
В качестве похожего примера можно привести солнцезащитные очки Polaroid: молекулы в их стеклах расположены таким образом, что пропускают только одно направление поляризации, тем самым вдвое снижая интенсивность неполяризованного света. Если же вы, сидя в машине, поправите очки таким образом, чтобы электрическое поле света падало на их ось поляризации под правильным углом, вы почти ничего не увидите, ведь доходящий до вас свет поляризуется уже в тот момент, когда отражается от лобового стекла машины.
Таким же лобовым стеклом выступает космический микроволновый фон. В процессе образования CMBR фотоны ударялись об электроны, из-за чего электроны начали колебаться в направлении электрического поля света. Колеблющиеся электроны отражали свет в одном направлении, и он поляризовался. Если бы первичный бульон был полностью однородным, фотоны бы ударялись об электроны со всех сторон одинаково, а общий уровень поляризации был бы равен нулю. Существование тех самых крохотных отпечатков божественной руки свидетельствуют о том, что лобовое стекло в лице CMBR не является до конца однородным, и это проявляется в виде небольшой, но отчетливой поляризации.
Поляризация микроволнового фона с точностью измерена множеством чрезвычайно чувствительных телескопов. Их слишком много, чтобы перечислять. Скажем только, что все названия – это аббревиатуры вроде DASI или ACT. Расположены они на Южном полюсе или в пустыне Атакама в Чили, при этом все получаемые с их помощью измерения являют одну и ту же картину.
Инфляционная теория также предполагает существование первичных гравитационных волн, возникших из-за колебаний квантовых полей в наиболее ранний период существования Вселенной. В главе 3 мы уже говорили о существовании гравитационных волн, распространяющихся в пространстве-времени, сжимая и расширяя детекторы, установленные для их поиска. Эти волны делают то же самое, что и первичный бульон в то время, когда формировалось CMBR: создают неоднородности, которые также поляризуют свет. В результате растяжения и сжатия среды гравитационными волнами появляются отпечатки, которые, однако, отличаются от тех, что возникают из-за сжатия в процессе акустических флуктуаций, о чем было сказано в главе 10. В принципе, при достаточной чувствительности телескопа вполне возможно различить два отдельных паттерна.
Поляризация CMBR, вызванная первичными гравитационными волнами, по идее должна быть куда слабее, чем поляризация, вызванная акустическими флуктуациями, однако некоторые космологи утверждают, что обнаружение именно этого вида поляризации CMBR стало бы главным доказательством верности инфляционной теории. В 2014 году группа ученых из Гарвардского университета, проводивших эксперимент BICEP2, во всеуслышание объявила именно об этом открытии. Однако результаты их исследований были опровергнуты спутником «Планк», а значит, первичные гравитационные волны по-прежнему нельзя считать обнаруженными.
* * *
Как уже было сказано, данные со спутника «Планк» почти полностью исключают существование инфляции. Тем не менее главные возражения против инфляционной теории по-прежнему вырастают из ее базовых утверждений. Я уже несколько раз упоминал квантовые флуктуации и то, как инфляция должна на них влиять. Однако нельзя забывать о том, что квантовой теории зарождения Вселенной пока не существует, а значит, инфляционная теория не может считаться реальной квантовой теорией Вселенной. Более того, для воссоздания предполагаемого квантового поведения инфляционные модели задействуют обычную, классическую физику. Мы же видим, что главное возражение против инфляционной теории состоит как раз в том, что роль полей в ней сводится исключительно к созданию инфляции, причем их существование не подтверждено ни наблюдениями, ни теоретическими доводами.
С этим связана следующая трудность. По идее, инфляция должна была бы растянуть квантовые колебания до таких размеров, чтобы они отразились в реликтовом излучении. На данный момент у нас нет никакого механизма перехода от квантовой теории к классической. Действительно: если бы инфляция продолжалась хоть немного дольше, чем нужно для решения космологических проблем, то можно было бы показать, что в самом начале длина волн колебаний составляла менее 10-33 см. Это очень малая величина. Это масштаб длины, называемый планковской длиной, на котором законы классической физики перестают действовать, уступая место квантовой теории гравитации. Но поскольку в настоящее время этой теории не существует, нам стоит со скепсисом относиться к рассуждениям о том, что произошло в эпоху квантовой гравитации.
Однако давайте на мгновение допустим, что инфляционные модели действительно воспроизводят квантовое поведение. По всей Вселенной квантовые поля колеблются случайным образом, причем большие флуктуации значительно уступают маленьким по количеству, но тем не менее случаются. В процессе инфляции большая флуктуация, где-нибудь во Вселенной, может переместить энергию поля вверх по кривой с рис. 18. Инфляция в этой области возрастает до тех пор, пока флуктуация не исчезнет. По мере того как «пузырь» инфляции раздувается, появляется все больше флуктуаций. Они производят такие же пузыри, которые, в свою очередь, раздуваются еще сильнее, и так до бесконечности. Инфляция – буквально вечный процесс. Образуется в результате крайне неравномерная ситуация, с разной инфляцией в разных дочерних Вселенных. Если в одних случаях инфляционная теория может разрешить существующие космологические проблемы, то в других – нет.
Описанная выше мультивселенная является неизбежным следствием инфляционной парадигмы. Подробнее мы поговорим о ней в главе 15, а пока для нас важно понять, что концепция мультивселенной, столь популярная в наши дни, связана с серьезными концептуальными трудностями. Предположим, у нас есть задача: оценить вероятность, с которой космологические проблемы в данной Вселенной будут решены. Если мы действительно имеем дело с бесконечным количеством Вселенных, это будет, мягко говоря, не просто. Когда мы наобум метаем дротики в мишень, которая на 25 % окрашена желтым и на 75 % – черным, интуиция подсказывает нам бить по черной области в три раза чаще, чем по желтой. Даже если мы будем иметь дело с бесконечно широкой мишенью, мы все еще будем чувствовать, что по черному бить нужно в три раза чаще, и действительно сможем определить вероятность в достаточной степени правильно.
Но в случае если наша мишень содержит бесконечное множество неповторяющихся цветов, вероятность попадания в один выбранный цвет почти равна нулю. А теперь предположим, что у нас есть бесконечное множество оттенков зеленого, представляющих все
