Идет волна: смотрите в небо

Статья из журнала Naked Science (№13, май-июнь 2014).

С момента, когда было подтверждено существование бозона Хиггса, прошел всего год. Но физики, изучающие строение и происхождение Вселенной, уже представили миру другое открытие, по своей важности сопоставимое с обнаружением «частицы Бога». На этот раз астрономам удалось зафиксировать «гравитационное эхо» Большого взрыва, что с большой вероятностью подтверждает одну из теорий происхождения Вселенной. Согласно этой теории, в первые доли секунды после Большого взрыва Вселенная расширялась со скоростью, значительно превышающей скорость света, после чего расширение замедлилось, но продолжается до сих пор. Подтверждение такой модели – важнейший шаг в понимании самых базовых свойств Вселенной: квантовой механики, гравитации, природы пространства и времени. Ожидается, что исследователи «гравитационного эха» получат Нобелевскую премию.

Международный коллектив исследователей использовал в своей работе радиотелескоп BICEP2, размещенный в Антарктиде недалеко от Южного полюса. С помощью этого инструмента ученые в течение двух лет «слушали» реликтовое космическое излучение и анализировали его свойства. Беспрецедентная точность данных позволила ученым выявить в нем следы волнообразных колебаний гравитационного поля, вызванных Большим взрывом 13,8 млрд лет назад.

Радиотелескоп BICEP2 (справа)  

©Wikimedia Commons

Само существование гравитационных волн – важнейшее физическое открытие. В отличие от электромагнитных волн, распространяющихся по четырехмерному пространству-времени, гравитационные волны сами по себе являются возмущениями прямолинейной структуры пространства-времени. Они предсказаны еще Общей теорией относительности Эйнштейна. Но обнаружить гравитационные волны очень сложно: ученым на это потребовалось сто лет. Впрочем, и теперь сделано это было не напрямую («поймать» саму гравитационную волну ученые пока не могут), а косвенно – путем анализа их влияния на реликтовое излучение.

Но главное в новом открытии – не сами обнаруженные свойства реликтового излучения (так называемая В-мода его поляризации), и даже не вытекающее из них существование гравитационных волн. Ученых, прежде всего, интересует второе следствие из данных BICEP2: они позволяют довольно уверенно утверждать, что происходило в первые мгновения существования Вселенной.

Вначале была математика

Как и гравитационные, электромагнитные волны были теоретически предсказаны задолго до их экспериментального обнаружения. В 1832 году Майкл Фарадей написал тайное письмо секретарю Королевского общества в Лондоне. В этом письме, пролежавшем нераспечатанным до 1937 года, Фарадей предсказал, что магнитные и электрические силы распространяются в пространстве и времени «подобно вибрациям на поверхности потревоженной воды». Фарадей хотел застолбить титул первооткрывателя этих волн на случай, если они действительно будут обнаружены.

Однако через тридцать лет, в 1860-х, Джеймс Максвелл предложил куда более детальное математическое обоснование существования электромагнитных волн. Из уравнений Максвелла можно было даже рассчитать скорость этих волн: она оказалась поразительно близкой к скорости света, установленной опытным путем. Именно Максвеллу обычно приписывают окончательное объединение электричества с магнетизмом и предсказание существования электромагнитных волн, экспериментально обнаруженных в 1888 году Генрихом Герцем.

Naked Science поговорил с одним из участников проекта BICEP2, астрофизиком из Стэнфордского университета Уолтом Огберном (Walt Ogburn). По его словам, в ближайшие годы планируется провести более точные измерения взаимодействия между гравитационными волнами и реликтовым излучением – в том числе на следующей стадии проекта, BICEP3. Это позволит получить еще более четкую картину происхождения нашего мира. Кроме того, несколько научных групп в обозримом будущем могут косвенно подтвердить открытия BICEP2, исследуя гравитационные волны из других источников (таких, как слияния черных дыр) и другими методами, без использования реликтового излучения.

Участник эксперимента BICEP2, астрофизик доктор Уолт Огберн (Стэнфордский университет) на Южном полюсе  

©Stanford University

Реликтовое излучение

Все началось в 1964 году, когда молодые астрономы Арно Пензиас и Роберт Уилсон изучали радиосигналы, получаемые из созвездия Кассиопеи с помощью сверхчувствительной по тем временам антенны. К раздражению ученых, им никак не удавалось избавиться от помех в приборах. Шум этот возникал как будто отовсюду, из-за чего Пензиас и Уилсон резонно заключили, что дело в самой антенне. Обнаружив в детекторе птичий помет, они вздохнули с облегчением. Но чистка антенны, как и все остальные попытки починить приборы, ни к чему не привела: шум продолжал назойливо мешать измерениям. 

Сегодня мы знаем, что птицы к помехам не имели никакого отношения – впрочем, это были и не помехи вовсе. 

Пензиас и Уилсон в буквальном смысле наткнулись на излучение, оставшееся со времен «сотворения мира».

Электромагнитные волны были предсказаны Джеймсом Максвеллом (слева) в 1865 году, а обнаружены через двадцать два года – в 1888-м. На обнаружение гравитационных волн ушло куда больше времени: они были предсказаны Альбертом Эйнштейном в 1916-м, а обнаружены в марте 2014 года

©Wikimedia Commons

Примерно через 379 тыс. лет после Большого взрыва молодая Вселенная охладилась настолько, что протоны стали объединяться с электронами, образуя атомы и излучая при этом свет. Но в то же самое время само пространство продолжало расширяться в результате Большого взрыва. В итоге к моменту, когда появилась планета Земля с населяющими ее астрономами, волны того древнего излучения оказались сильно «растянутыми» – сегодня они долетают до нас в форме микроволнового радиоизлучения (мик­роволны – это фактически «растянутый» свет). На них и наткнулись Пензиас и Уилсон, в 1978 году получившие за свое открытие Нобелевскую премию. Микроволновое излучение, открытое астрономами, было названо реликтовым, то есть древним. На его свойствах построена вся современная теория происхождения Вселенной.

«Скорая помощь» звезд

«Растяжение» света в космосе – одно из ключевых открытий астрофизики начала XX века. Работы Весто Слайфера, Эдвина Хаббла и других показали, что свет далеких звезд, обозреваемый с Земли, «сдвигается» в сторону красной части спектра, то есть «растягивается» за время полета сквозь пространство. Это объясняется эффектом Доплера и релятивистским замедлением времени: если источник волны удаляется от наблюдателя с высокой скоростью, то сама волна приходит к наблюдателю длиннее. Такое «растяжение» делает свет (волны колебаний электромагнитного поля) краснее, а, например, звук (волны колебаний воздуха) – ниже. Обычно эффект Доплера иллюстрируется сиреной «скорой помощи»: ее тон слышится меняющимся, если машина быстро проносится мимо. Обнаружение красного смещения излучения небесных тел позволило физикам сделать вывод, что все далекие звезды постоянно удаляются от нас – а значит, Вселенная находится в состоянии расширения.

Еще со времен баталий Пензиаса и Уилсона с птичьим пометом было известно, что реликтовое излучение поразительно однородно. В какую бы сторону исследователи не направляли свои приборы, микроволновые помехи оказывались совершенно одинаковыми. Шум не зависел от угла, под которым размещался детектор. Он не различался днем и ночью, то есть с разных сторон Земли. Получалось, что микроволновое «эхо» Большого взрыва практически однородно в любой видимой точке Вселенной.

Уилсон (слева) и Пензиас (справа) возле антенны, с помощью которой было впервые зафиксировано реликтовое излучение Вселенной

©Physics Today Collection/AIP/SPL

Такая однородность – более загадочное явление, чем может показаться. Она относится не только к самому реликтовому излучению. Насколько мы можем судить, на самых больших масштабах Вселенная так же однородна: в ней нет областей, плотно забитых галактиками, но нет и совершенно пустых регионов.

Математический расчет показывает: если бы Большой взрыв выглядел как обычный, при котором энергия и материя случайным образом разлетаются во все стороны, то неоднородностей сегодня должно быть гораздо больше. В противном случае пришлось бы допустить, что исходная конфигурация взрыва каким-то чудом оказалась ровно такой, чтобы обеспечить однородность. Неужели нам просто повезло?

Большой взрыв и большая рулетка

В принципе, везение не исключено. Если допустить, что однородная Вселенная – по каким-то причинам единственная пригодная для жизни форма мироздания, то в дело вступает антропный принцип. Это концепция, утверждающая, что мир существует именно в таком виде не потому, что нам так удобно, а потому, что если бы он был другим, нас бы просто не было.

Антропный принцип – вполне серьезный способ объяс­нения многих физических явлений. Но настоящего ученого сложно удовлетворить абстрактной философской концепцией. Ему хочется чего-то более вещественного и определенного.

Антропный принцип – логическое обоснование центральной темы почти любой религии или эзотерического учения: человек – центр устройства Вселенной

©esotericonline.net

В 1980-х годах американский физик Алан Гут предложил модель, которая могла объяснить однородность Вселенной и ряд других ее странных свойств, не прибегая к гипотезе «просто повезло». Согласно теории Гута, первые доли секунды после Большого взрыва напоминали не столько взрыв, сколько очень быстрое надувание скомканного шарика. Эту аналогию предложил Стивен Хокинг в своей классической научно-популярной работе «Краткая история времени».

Сильно упрощая, теорию Гута можно свести к тому, что в первые мгновения после Большого взрыва Вселенная была неоднородной, но неоднородности расширялись, росли с повышенной скоростью и в итоге «расправлялись».

Сразу после Большого взрыва материи в привычном нам смысле еще не существовало – физические взаимодействия, которые требуются для формирования атомов, представляли собой единую силу. Но с охлаждением и расширением Вселенной эта объединенная сила быстро «распадалась» на отдельные независимые взаимодействия, известные сегодня: электромагнитное, сильное и слабое (четвертая сила – гравитационная – отделилась еще раньше). Такой распад немного напоминал игру в рулетку: на большой скорости шарик бежит по краю, но когда он замедляется, то «выбирает» одну из ячеек.

Хронология разделения объединенных сил после Большого взрыва

©W.H. Freeman and Company/NS

Теоретически, разделившиеся взаимодействия можно объединить «насильно»: для этого нужно сконцентрировать нужное количество энергии в нужной частице. Высоких энергий можно достичь, разгоняя частицы до огромных скоростей и сталкивая их между собой – именно в этом состоит задача коллайдеров. Например, электромагнитные и слабые взаимодействия объединяются при энергии порядка 100 ГэВ. Такой энергии удалось достичь еще в 1980-х годах с помощью Протонного суперсинхротрона – предшественника нынешнего Большого Адронного Коллайдера. Получив доступ к частицам нужной энергии, ученые доказали существование единого электрослабого взаимодействия.

Однако ускорить частицы до объединения всех четырех сил вряд ли получится в ближайшей перспективе. Даже Большой Адронный Коллайдер – самый мощный в истории ускоритель частиц – позволяет достичь энергий порядка 4 ТэВ (в 40 раз больше, чем нужно для объединения электромагнитного и слабого взаимодействий), но, согласно математическим расчетам, для объединения всех взаимодействий требуется порядка 1016 ТэВ. Коллайдер, достигающий таких энергий, был бы размером с Солнечную систему!

Исходя из теории Гута, распад единой силы и формирование материи происходили неравномерно. «Комки» пространства, где физические силы разделялись, существовали параллельно участкам, где они продолжали существовать в исходной, объединенной форме. В разных частях молодой Вселенной (речь идет примерно о 10–32 секунды после Большого взрыва) действовали разные физические законы. 

Вселенная была неоднородной. Но в тех участках, где силы не распадались, возникала особая «антигравитационная» энергия, из-за которой пространство расширялось быстрее. В итоге «складки» Вселенной, как складки шарика при надувании, расправлялись, и она постепенно становилась однородной и гомогенной.

Таким образом, в вопросе однородности Вселенной удача, согласно Гуту, ни при чем. Просто само существование неоднородностей вызывает силу, способствующую их устранению. 
Эта «антигравитационная» энергия и лежит в основе ускоренного, «сверхбыстрого» расширения, или инфляции Вселенной в первые доли секунды после Большого взрыва.
Такая модель имеет ряд следствий. Одним из них является наличие гравитационных волн, которые вместе с электромагнитным реликтовым излучением и должны составлять «эхо» Большого взрыва, отзвуки которого можно уловить по сей день.

Как объясняет участник проекта BICEP2 Уолт Огберн, изначально гравитационные волны были квантовыми флуктуациями – микроскопическими колебаниями гравитационного поля в масштабах элементарных частиц, то есть несопоставимо меньше атома водорода. Но за миллиарды лет эти волны растянулись до огромных размеров: с точки зрения телескопа на поверхности Земли, они в несколько раз больше полной луны! Кроме как инфляцией, такое растяжение очень сложно объяснить. Хотя обнаружить гравитационные волны напрямую пока нельзя, их существование можно доказать по воздействию на микроволновое излучение – второй компонент «эха», тот самый, который американские астрономы в 1965 году списывали на птичий помет. Это и сделали исследователи, работающие с телескопом BICEP2.

Открытие вызвало довольно бурную реакцию в научных кругах. Стивен Хокинг, например, объявил, что выиграл старый спор с космологом Нилом Тюроком (Neil Turok). Что проспорил Хокингу канадский ученый – не сообщается.

Все за одного

Согласно наиболее распространенной на сегодняшний день гипотезе, сразу после Большого взрыва четыре фундаментальных взаимодействия – гравитационное, сильное, слабое и электромагнитное – были неотличимы друг от друга и представляли собой одну силу. Это оказалось возможным благодаря чудовищной концентрации энергии в очень маленькой Вселенной.

Считается, что такое объединение продолжалось всего 10–43 секунды. С понижением плотности энергии (то есть с замедлением частиц, или охлаждением Вселенной – все это примерно одно и то же) силы постепенно «отщеплялись» друг от друга. Сначала отделилась гравитация, затем сильное взаимодействие, позволившее сформироваться протонам и нейтронам. Последними разошлись электромагнитное и слабое взаимодействия.

Параллельные миры

Новое открытие имеет еще одно любопытное следствие. На фоне ажиотажа вокруг гравитационных волн резко активизировались любители пофантазировать о параллельных вселенных, а также их идейные оппоненты.

Хотя многие ученые скептически настроены по отношению к параллельным мирам, в астрофизике и космологии есть солидный набор открытых вопросов, принципиально допускающих их существование. Подтвердив (по крайней мере, с высокой вероятностью) инфляционную модель Большого взрыва, ученые открыли ящик Пандоры.

Инфляция Вселенной подразумевает, что на ранних этапах в ней существовали участки, в пределах которых физические законы действовали по-разному. В толще «первородного хаоса» образовывались «пузырьки» нормальной (в нашем понимании) физики. Пространство же между пузырьками расширялось лавинообразно и очень быстро – быстрее, чем скорость света.

Базовая модель предполагает, что в итоге все пространство стало одним большим гомогенным «пузырьком». Но что, если процесс так и не завершился? Не исключено, что видимая нами Вселенная – это только один из «пузырьков». Другие могут быть для нас недосягаемы: в пределах нашей «подвселенной» ничто не может двигаться быстрее света, поэтому мы при всем желании не сможем «догнать» удаляющиеся от нас параллельные вселенные.

Именно поэтому многие ученые не хотят и обсуждать существование такой Мультивселенной: если параллельные миры даже теоретически не могут никак на нас повлиять – то с нашей позиции это эквивалентно тому, что их не существует. Кроме того, одним из общепринятых критериев научной истины является ее фальсифицируемость, то есть принципиальная возможность опровержения. Теорию о Мультивселенной ни доказать, ни опровергнуть нельзя – по крайней мере, в том виде, в котором она обсуждается сейчас. Поэтому сами участники проекта BICEP2 не слишком озабочены проблемой параллельных миров, как сообщил Naked Science Уолт Огберн.

Радиотелескоп BICEP уже много лет сканирует небо в поисках малейших изменений в космическом микроволновом (реликтовом) излучении

©Flickr/ Eli Duke

Но по словам Алана Гута – того самого, который «придумал» космическую инфляцию в 1980-х, – представить инфляционную теорию без Мультивселенной довольно трудно. 

Кроме того, идея о «пузырьках» параллельных миров – хороший способ укрепить размытый антропный принцип (то есть концепцию «нам повезло со Вселенной, а те, кому не повезло, просто не родились») реальной теоретической базой. В масштабах Мультивселенной «пузырьки миров» могут образовываться случайным образом и иметь разные физические законы. Но мы способны существовать – и задаваться вопросом о собственном существовании – только в том из них, где все законы именно такие, какие есть у нас.

Массу электрона, например, не вывести ни из каких других величин – насколько мы можем судить, она определена совершенно случайно. Но малейшее отклонение от этой массы привело бы к полному краху Вселенной в известном нам виде. Атомы бы не могли сформироваться, не было бы планет, звезд и галактик, химические реакции – а значит, и жизнь – не сумели бы возникнуть.

Один из главных теоретиков Мультивселенной, профессор Стэнфордского университета Андрей Линде еще в 2002 году описал потенциальную связь между космической инфляцией, «пузырьками» вселенных и антропным принципом. По его мнению, существование других миров с другими физическими законами – вполне разумное объяснение свойств нашей собственной «подвселенной», даже если это объяснение невозможно доказать.

Но оппоненты Линде не спешат признавать за открытиями проекта BICEP2 доказательство существования параллельных миров. Например, математик Питер Войт (Peter Woit) в своем блоге указывает на то, что Мультивселенная может существовать в двух вариантах. Первый возникает, если физические законы всех «пузырьков» одинаковые. Второй тип подразумевает случайное формирование этих законов, для разных вселенных по отдельности. Войт утверждает: инфляционная теория, которую в СМИ представляют чуть ли не как доказательство существования параллельных миров, на самом деле допускает (но никоим образом не доказывает) только Мультивселенную первого типа (в которой все «пузырьки» одинаковые). Это, конечно, неплохо, но, во-первых, куда скучнее «разнообразной» мультивселенной, и, во-вторых, никак не помогает «укрепить» антропный принцип – если все пузырьки одинаковые, значит, все равно непонятно, почему электрон весит ровно столько, сколько весит.

Что откроет открытие?

Как отмечают все серьезные комментаторы и почти никто из журналистов, космическую инфляцию пока рано считать однозначно доказанной. Данные о гравитационных волнах должны быть проверены независимыми экспертами и подтверждены в дальнейших экспериментах. В настоящий момент исследователи ведут подготовку к проекту BICEP3, в котором будет использоваться детектор нового поколения.

Как почти всегда бывает в современной науке, то, что называется в прессе «открытием» – на самом деле не архимедова «Эврика!», а постепенно кристаллизующийся результат долгой и кропотливой работы над огромными массивами данных. Но тот факт, что ученые решили представить свои результаты уже сейчас, внушает оптимизм.

Но даже если существование гравитационных волн будет окончательно подтверждено и доказано, этот результат не поставит точку в исследованиях Большого взрыва и происхождения Вселенной. Наоборот, в космологии остается гораздо больше вопросов, чем ответов. Ученые, например, до сих пор не знают, как согласовать между собой два центральных столпа современной физики – квантовую механику и Общую теорию относительности.

Квантовая механика описывает поведение очень малых объектов, имеющих свойства как частиц, так и волн. Общая теория относительности, наоборот, используется для описания пространства, времени и гравитации в очень крупных астрономических масштабах. Поэтому на практике они встречаются друг с другом довольно редко. Но в ситуации Большого взрыва применимы обе теории: из изначально бесконечно малого объема появилась бесконечно большая Вселенная. Как именно квантовые эффекты взаимодействуют с гравитационными – один из сложнейших вопросов современной физики.

Понимание деталей происхождения Вселенной – не просто почва для околонаучных фантазий. Чем больше мы понимаем в истории мира, тем больше возможностей открываем для физики будущего. По мнению Уолта Огберна, понимание физики на уровне объединения фундаментальных взаимодействий в будущем может привести к созданию технологий, которые сегодня невозможно даже представить. Без теории относительности не было бы GPS-навигаторов, а без квантовой механики – ни лазеров, ни современных компьютеров. Какие двери откроет раскрытие тайн Большого взрыва, сегодня не знает никто. Возможно, еще через сто лет открытия BICEP2 будут точкой отсчета новой эпохи, как когда-то стал точкой отсчета шум в антеннах, направленных к созвездию Кассиопеи. 

* Статья из журнала Naked Science (№13, май-июнь 2014).

Источник: naked-science.ru