Складки на ткани пространства-времени - Говерт Шиллинг

Не стану вдаваться в подробности, главное – это очень краткий период экспоненциального расширения. Прежде чем Вселенной исполнилось 10–32 секунды (или 0,00000000000000000000000000000001 с), пространство раздулось в два раза примерно 200 раз подряд. В результате расстояния между любыми двумя точками пространства стали примерно в 1060 раз больше начальных значений[68]. По окончании невероятно краткой эпохи инфляции началось более знакомое «линейное» расширение Вселенной, идущее гораздо более спокойными темпами. В определенной мере инфляцию можно сравнить с самыми первыми стадиями роста оплодотворенной человеческой яйцеклетки. Сначала количество клеток растет в следующей последовательности: 1, 2, 4, 8, 16 и т. д. К счастью, вскоре экспоненциальный рост прекращается, темпы роста значительно замедляются (иначе вы бы сейчас были больше наблюдаемой Вселенной).

Квантовая механика дает надежное основание верить во «взрыв Большого взрыва», как прозвали инфляцию Вселенной. Более того (опять-таки без углубления в детали), это единственный мыслимый способ объяснить, почему наблюдаемая Вселенная выглядит такой однородной, а пространственно-временной континуум, судя по всему, не имеет глобальной, повсеместной кривизны. Эту идею предложил в 1980 г. Алан Гут, физик-теоретик, в то время работавший в Принстоне[69]. С тех пор ее расширили и изменили, в особенности советско-американский физик Андрей Линде из Стэнфордского университета[70]. Инфляцию Вселенной трудно себе представить и еще труднее принять на веру, но большинство космологов привыкли к этой модели.

Различные инфляционные сценарии отличаются только деталями: что именно вызвало раздувание Вселенной, когда оно началась, насколько быстрым было экспоненциальное расширение, сколько времени длилось, как закончилось и т. д. Проблема, разумеется, в том, что мы не можем заглянуть в прошлое в эту ничтожную 10–32 долю секунды после рождения Вселенной и увидеть, что в действительности произошло. Реликтовое излучение – самый старый свет из раннего этапа существования Вселенной, который мы имеем возможность изучать, и он был излучен через 380 000 лет после ее возникновения. Как же космологи надеются доказать реальность инфляции, тем более выбрать одну из ее версий?

В этом нам помогут гравитационные волны. Инфляция раздула все в пространстве. Субатомные квантовые флуктуации в новорожденной Вселенной расширились в вариации плотности, оставившие свой отпечаток на реликтовом излучении. Квантовые флуктуации гравитационного поля также должны были раздуться, но не в другие флуктуации плотности, а в первичные волны Эйнштейна, вызвавшие возмущения в самой ткани пространственно-временного континуума[71]. Во всяком случае, в теории. Амплитуда первичных волн зависит от конкретных характеристик инфляции.

Если мы сможем зарегистрировать первичные гравитационные волны, то получим надежное свидетельство того, что инфляция Вселенной имела место. Возможно, мы даже сумеем опровергнуть хотя бы несколько инфляционных сценариев. К сожалению, инфляционные волны никогда не удастся зарегистрировать напрямую. После 13,8 млрд лет расширения пространства они приобрели длины в сотни миллионов световых лет, и у нас нет возможности их измерить. Но они оставили отметину на реликтовом излучении. Получив небольшую поляризацию из-за флуктуаций плотности в молодой Вселенной, оно также приобрело слабую поляризацию в ходе взаимодействия с первичными гравитационными волнами.

Измерение поляризации космического фонового излучения, вызванной инфляционными волнами Эйнштейна, рассказало бы нам, что происходило в самую первую долю секунды после рождения Вселенной. Это уникальный шанс заглянуть за предел 380 000 лет, в самое начало пространства, времени, материи и энергии. Есть лишь одна проблема: поляризация, связанная с первичными гравитационными волнами, в тысячу раз слабее поляризации вследствие флуктуаций плотности, также ничтожной. Как разделить эти два эффекта?

Здесь мы подходим к разговору о В-моде. Представьте, что американский кондитер дал вам много тысяч одинаковых маленьких пирожных, украшенных взбитыми сливками. Вы подозреваете, что среди них может быть несколько европейских пирожных. Но на обоих континентах используется один и тот же рецепт, и пирожные выглядят одинаковыми. Тут вы узнаете (дальнейшее – исключительно моя выдумка), что европейские пекари, выдавливая сливки из кондитерского мешка, всегда поворачивают его по кругу, а американские держат мешок неподвижно. Поэтому американские украшения совершенно симметричны, а европейские слегка закручиваются спиралью в одну или в другую сторону. Теперь их легко различить, хотя сами пирожные одинаковы во всех прочих отношениях.

Нечто подобное свойственно двум типам поляризации. Если вы построите карту, где показана сила и направление поляризации в каждой точке неба, то увидите определенные паттерны. У поляризации, вызванной флуктуациями плотности, эти паттерны симметричны – не имеют определенной «направленности». Они называются Е-модами. У гораздо более слабой поляризации, вызванной первичными гравитационными волнами, наблюдающиеся паттерны имеют слабую дополнительную закрученность вправо либо влево. Это так называемые В-моды. (Использование этих букв восходит к Максвеллу, который обозначал буквой Е электрические поля, а буквой В – магнитные.)

Имеется еще одно затруднение: слабые В-моды могут также формироваться, когда поляризованное реликтовое излучение проходит вблизи массивного скопления галактик. Эффект гравитационного линзирования скопления, сравнимый с релятивистским отклонением луча света Солнцем, придает симметричным в отсутствие этого воздействия Е-модам завихренность, не имеющую ничего общего с инфляцией Вселенной или первичными гравитационными волнами. К счастью, В-моды, образованные гравитационным линзированием, являются мелкомасштабными, с угловыми размерами менее 1°. Они были впервые обнаружены «Южным полярным телескопом» в 2013 г. Таким образом, если вы хотите подтвердить инфляцию и найти свидетельство существования волн Эйнштейна с момента рождения Вселенной, ищите в небе значительно более крупные В-моды с угловыми размерами по крайней мере 1°.

Теперь вы знаете, почему эксперимент Шаула Ханани с воздушными шарами назвали ЕВЕХ. Его целью было различить Е- и В-моды в поляризации реликтового излучения. Открытие крупномасштабных В-мод предполагало бы существование первичных гравитационных волн, таким образом подтверждая теорию космической инфляции. Относительная «сила» В-мод дала бы некоторую информацию о конкретной причине и времени инфляции.