Достучаться до небес. Научный взгляд на устройство Вселенной - Лиза Рэндалл

Уилсон рассказывал мне, что свое открытие они совершили в очень подходящее время. Сами они ничего не знали о Большом взрыве, но Роберт Дик и Джим Пиблз из Принстонского университета знали. Тамошние физики поняли, что одним из следствий теории Большого взрыва должно быть реликтовое микроволновое излучение. Они как раз готовили эксперимент, который должен был бы измерить это излучение, когда обнаружили, что дело уже сделано учеными из Лаборатории Белла, которые пока сами не поняли, что открыли. К счастью для Пензиаса и Уилсона, астроном из Массачусетского технологического института Берни Берк знал и о принстонских исследованиях, и об открытии Пензиаса и Уилсона. Он и довел дело до результата — «состыковал» все заинтересованные стороны.

Вообще, вся эта история — прекрасный пример науки в действии. Исследования проводились с конкретной научной целью, которая могла принести и какие‑то дополнительные бонусы — и технические, и научные. Астрономы не искали того, что нашли, но обладали высочайшей технической и научной квалификацией. Обнаружив что‑то неожиданное, они и не подумали просто отбросить неудобные данные. Их исследование привело к открытию, имевшему огромные последствия, а успеха они достигли потому, что кроме собственной локальной цели держали в голове и всю научную картину мира. Так случайное открытие ученых навсегда изменило космологическую науку.

Реликтовое космическое излучение оказалось полезнейшим инструментом — оно не только подтвердило теорию Большого взрыва, но и превратило космологию в точную науку. Космическое микроволновое фоновое излучение дало нам возможность совершенно по–новому увидеть прошлое Вселенной.

В прошлом астрономы наблюдали объекты в небе, пытались определить их возраст и восстановить их эволюционную историю. Сегодня при помощи реликтового излучения ученые могут заглянуть непосредственно в прошлое, в те времена, когда звезды и галактики еще не сформировались. Свет, который они наблюдают, был излучен очень давно — на ранней стадии эволюции Вселенной. Когда кванты микроволнового фона, которые мы регистрируем сегодня, были излучены, размер Вселенной составлял лишь тысячную долю от ее современного размера.

Первоначально во Вселенной были только всевозможные частицы — и заряженные, и незаряженные, но, после того как она достаточно остыла, а на это ушло примерно 400 ООО лет, заряженные частицы объединились в нейтральные атомы. После того как это произошло, свет перестал рассеиваться — как говорят физики, произошло отделение излучения от вещества. Таким образом, наблюдаемое сегодня реликтовое излучение доходит до наших наземных и спутниковых телескопов непосредственно из времени, отстоящего от момента рождения Вселенной на 400000 лет, — доходит неизменным и непрерывным. Фоновое излучение, открытое Пензиасом и Уилсоном, — это то самое излучение, которое присутствовало еще на ранних стадиях эволюции Вселенной, только «разбавленное» и остывшее в процессе ее расширения. Это излучение попало прямо в телескопы, где и было зарегистрировано, без всякого рассеяния на случайных заряженных частицах. Этот свет открывает для нас широкое окно в прошлое.

Спутник СОВЕ (Cosmic Microwave Background Explorer), запущенный в 1989 г. и проработавший в космосе четыре года, измерил реликтовое излучение с необычайной точностью, и ученые обнаружили, что их измерения согласуются с теоретическими предсказаниями с точностью до одной тысячной. Но СОВЕ измерил и кое‑что новое. Безусловно, самым интересным из его результатов стала легкая неоднородность — анизотропия распределения температуры излучения по небесной сфере. Вообще‑то Вселенная чрезвычайно однородна, но крохотные отклонения на уровне менее одной десятитысячной на раннем этапе ее развития позже увеличились и сыграли важную роль при формировании различных структур. Неоднородности возникли на крохотных длинах, но со временем увеличились до размеров, существенных для астрономических измерений и структур. Гравитация собрала воедино более плотные области, где неоднородности были особенно сильны, и сформировала из них массивные структуры, которые мы в настоящее время наблюдаем. Звезды, галактики и скопления галактик являются результатом возникших в начале времен крохотных квантово–механических возмущений и их дальнейшего развития под действием гравитационных сил.

Наблюдение микроволнового фонового излучения продолжает оставаться важнейшим фактором наших представлений об эволюции Вселенной. Его роль как настоящего окна в прошлое невозможно переоценить. Не так давно исследования реликтового излучения вместе с более традиционными методами исследований представили ученым экспериментальные свидетельства новых загадочных явлений — инфляционной модели Вселенной (космической инфляции), а также скрытой массы и темной энергии, о которых мы поговорим в следующей главе.

Когда я работала в Массачусетском технологическом институте, наша кафедра испытывала трудности: офисных помещений на третьем этаже, где работали специалисты по физике элементарных частиц, перестало хватать. Поэтому я переехала в свободный кабинет рядом с кабинетом Алана Гута, этажом ниже, где тогда размещались теоретики — астрономы и космологи. Сам Алан начинал как специалист по физике элементарных частиц, но сегодня он известен как один из лучших космологов нашего времени. Я к моменту переезда успела уже познакомиться с некоторыми связями между физикой элементарных частиц и космологией. Но проводить такие исследования намного проще, если сосед разделяет твои интересы и столь же рассеян — так, что в его кабинете ты чувствуешь себя как дома.

Многие специалисты по физике элементарных частиц освоили другие, самые разные области научных исследований. Уолли Гилберт, один из основателей биотехнологической компании Biogen, начинал в физике элементарных частиц, но оставил эту область ради исследований в биологии и химии, достойных Нобелевской премии. Его примеру последовали многие. С другой стороны, многие из тех, кто учился вместе со мной, оставили науку и стали «квантами» Уолл–стрит, где можно играть на будущих измерениях на рынке. Они выбрали прекрасное время для такого перехода, поскольку тогда как раз разрабатывались финансовые инструменты хеджирования подобных рисков. Если в биологии пригодились способы организации мышления и решения задач, то в мире финансов небесполезными оказались некоторые методы и уравнения.

Но физика элементарных частиц и космология, разумеется, пересекаются гораздо глубже, чем любые другие науки. Подробное исследование Вселенной на различных масштабах вскрыло множество неразрывных связей между элементарными частицами на самых маленьких масштабах и самой Вселенной на самом большом. В конце концов, Вселенная по определению уникальна и охватывает все сущее. Специалисты по физике элементарных частиц смотрят вглубь и задаются вопросом о том, какой тип фундаментальной материи лежит в основе всякой материи, а космологи смотрят в небо и пытаются понять, как возникло и развивалось все то, что там есть. Загадки Вселенной — то самое, из чего она в основном и состоит — одинаково интересуют и космологов, и специалистов по физике элементарных частиц.

В той и другой области исследований изучаются базовые структуры и используются фундаментальные физические законы. Ученым необходимо принимать во внимание результаты друг друга. Состав Вселенной, изучаемый в физике элементарных частиц, является важным предметом исследования и для космологов. Более того, законы природы, включающие в себя и общую теорию относительности, и физику элементарных частиц, описывают эволюцию Вселенной, как, собственно, и должно быть, если обе теории верны и применимы к одному и тому же космосу. В то же время известные черты эволюции Вселенной накладывают определенные ограничения на свойства, которые может иметь материя, не вступая при этом в противоречие с данными наблюдений. В определенном смысле Вселенную можно назвать первым и самым мощным в истории ускорителем частиц. Энергии и температуры на ранних стадиях ее эволюции были чрезвычайно высоки, и те высокие энергии, которые мы сегодня стремимся получить в ускорителях, призваны воспроизвести именно эти условия, но в земных лабораториях.