Вселенная. Емкие ответы на непостижимые вопросы - Брайан Грин

Оба вида возмущений имеют общую причину. В основе у них тот же механизм, что и у так называемого излучения Хокинга, исходящего от горизонтов черных дыр, которое я предсказывал некоторое время назад, – только в этом случае оно идет от космологического горизонта, за которым события не наблюдаются, сколько ни жди. Излучение из-за космологического горизонта имеет температуру H/2π, где H – скорость расширения вселенной.

Хотя флуктуации плотности и гравитационные волны имеют общее происхождение как тепловые флуктуации в очень ранней вселенной, есть важная разница. Скалярные возмущения плотности вызваны квантовыми флуктуациями в поле вещества φ, которые будут сдвигать поверхности постоянных φ с тех мест, где они должны были бы быть. В то же время гравитационные волны не зависят от φ, но появляются непосредственно как флуктуации в расширяющейся вселенной, с температурой H/2π.

Следовательно, тензорные возмущения в этом случае будут слабее скалярных на коэффициент r = 1, деленное на парциальное V и на парциальное φ. Эти скалярные возмущения впервые были рассчитаны во время рабочего совещания, которое я проводил в Кембридже в 1982 году.

Это было за 10 лет до того, как в 1993-м флуктуации микроволнового фона неба были обнаружены спутником СОВЕ, так что теория сильно обгоняла эксперимент.

Космология стала количественной наукой еще 10 лет спустя, в 2003 году, с первыми результатами спутника WMAP, которые подтвердили предсказанную, почти масштабно-инвариантную спектральную зависимость скалярных возмущений. WMAP составил прекрасную карту температуры микроволнового неба, снимок вселенной возрастом примерно в триста тысяч раз меньше нынешнего. Неоднородности, которые видны на этой карте, предсказаны теорией инфляции, и они означают, что некоторые участки вселенной имели плотность немного выше других. Гравитационное притяжение за счет дополнительной плотности замедляло расширение этого участка неба и могло со временем привести к его сжатию, сопровождаемому формированием галактик и звезд. Так что внимательно смотрите на карту микроволнового неба. Это чертеж для всей структуры вселенной. Мы – продукт квантовых флуктуаций в очень ранней вселенной. Бог и в самом деле играет в кости.

На смену WMAP пришел спутник Planck. С картой вселенной, снятой с намного более высоким разрешением. Анализ данных Planck показал замечательное совпадение с предсказаниями простейших моделей инфляции. Зеленые области на рисунке (см. с. 1 вклейки) – подгоночная функция, хорошо описывающая красные области, которые показывают измеренную с помощью Planck мощность флуктуаций температуры на различных угловых масштабах. Все эти данные показывали, что скалярных возмущений достаточно и нет необходимости искать тензорные. Planck только установил верхний предел на отношения тензорных возмущений к скалярным на уровне 11 %.

Все поменялось в марте 2014-го благодаря измерениям группы BICEP, использовавшей радиотелескоп на Южном полюсе. После моего визита в Антарктику я могу только восхищаться преданностью науке со стороны этой группы, работающей практически в нигде. Группа BICEP заявила, что тензорно-скалярное соотношение составляет 20 % – намного выше, чем кто-либо ожидал. Это очевидное открытие гравитационных волн попало на первые страницы газет, но затем результаты BICEP были поставлены под сомнение.

Если все же результаты BICEP правильны, это было бы дальнейшим подтверждением того, что инфляция в самом деле происходила. Это также означало бы, что инфляция происходила в очень высокоэнергичном диапазоне, близком к диапазону, измеренному Planck. Это были бы плохие новости для многих моделей инфляции, а моделей этих очень, очень много. Наблюдения, выполненные с помощью Planck, позволили исключить несколько из таких моделей, но если бы результаты BICEP оказались верными, нам потребовался бы целый мусоровоз. Возможно, 90 % моделей были бы исключены. При настолько высокой энергетической шкале инфляции нам потребовалось бы более глубокое понимание того, откуда появляется инфляция из планковской энергии. Это технический вызов, но новые данные могли дать нам важные ключи к теории квантовой гравитации.

Для обнаружения тензорных возмущений BICEP измеряет поляризацию микроволнового фона, к которой Planck не столь чувствителен. Однако измерения Planck могут помочь отличить истинные сигналы от случайных и отделить микроволновый фон, создаваемый близкими объектами, от первичного излучения, чтобы проверить, являются ли результаты BICEP достоверными и надежными[5]. Хорошая новость в том, что следующие эксперименты по измерению поляризации микроволнового фона не за горами, так что нам не придется долго ждать новых данных.

Лично у меня заключено пари с Нилом Туроком, директором канадского Института теоретический физики «Периметр», что отношение тензорных возмущений к скалярным составляет по меньшей мере 5 %. Если это подтвердится будущими наблюдениями, это будет означать, что слова «квантовая гравитация» записаны поперек всего неба как голограмма истории вселенной, которая свидетельствует об энергиях намного более высоких, чем может дать любой ускоритель. И что еще лучше – я выиграю 200 канадских долларов!

Говорят, что порой факты бывают более странными, чем любые фантазии, и черные дыры – самый яркий тому пример. Черные дыры более странные, чем все, придуманное писателями-фантастами, но они – твердый научный факт. Впрочем, когда черные дыры были открыты, научная фантастика не заставила себя долго ждать. Я помню, как в 1970-е годы пошел на премьеру фильма «Черная дыра» Уолта Диснея. Фильм был о космическом корабле, который отправили исследовать недавно открытую черную дыру.

Это был не очень хороший фильм, но у него был интересный конец. После облета черной дыры один из ученых решает, что единственный способ узнать, что там, это отправиться внутрь. Он загружается в капсулу и отправляется в черную дыру. После изображенного сценаристом ада он попадает в новую вселенную. Это ранний пример использования научной фантастикой темы черной дыры как кротовой норы, коридора из одной вселенной в другую или назад в другое место в той же вселенной. Такие кротовые норы, если бы они существовали, обеспечивали бы короткий путь для межзвездных путешествий, которые иначе были бы медленными и скучными, если придерживаться ограничения скорости Эйнштейна и не превышать скорость света.

Позвольте мне вкратце объяснить, как может быть создана черная дыра. Представьте звезду с массой в десять раз больше массы Солнца. На протяжении большей части своей жизни в миллиард лет эта звезда будет выделять тепло в своем ядре, превращая водород в гелий. Выделяющаяся энергия будет обеспечивать достаточное давление для удержания звезды в равновесии в поле собственного тяготения, создавая объект радиусом примерно в пять радиусов Солнца. Скорость отрыва от поверхности такой звезды (вторая космическая скорость) будет примерно 1000 километров в секунду. Иначе говоря, объект, которым выстрелили с поверхности звезды со скоростью меньше 1000 км в секунду, будет притянут обратно гравитационным полем звезды и вернется на поверхность. Объект с большей скоростью оторвется и может уйти бесконечно далеко.