Доказательства теории большого взрыва. Был ли на самом деле Большой взрыв? Новые опровержения Открытия подтверждающие теорию большого взрыва

А БЫЛ ЛИ БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ?

В наше время существуют две основных «научных» теории возникновения нашей Вселенной. Согласно Теории стабильного состояния, материя/энергия, пространство и время существовали всегда. Но тут же возникает логичный вопрос - почему сейчас никому не удается создать материю и энергию? Это утверждает Первый Закон Термодинамики, ни одного исключения из которого не удалось обнаружить. Напротив, все стремится к распаду и разрушению, энергия иссякает, становясь все менее способной к совершению работы (это называют Вторым Законом Термодинамики). Бесконечно старая Вселенная должна быть полностью лишена полезной энергии и каких-либо изменений - достигнуть состояния, называемого тепловой смертью.

Самая популярная теория происхождения Вселенной, поддерживаемая большинством теоретиков - Теория Большого Взрыва. Подобно библейскому повествованию о Сотворении она утверждает, что Вселенная возникла внезапно, но это было случайное событие, случившееся миллиарды лет назад. Оценка возраста Вселенной последнее время колебалась в пределах 8-20 миллиардов лет; в настоящее время речь ведется о 12 миллиардах лет.

Теорию Большого Взрыва предложили в 20-х годах нашего века ученые Фридман и Леметр, в сороковых годах ее дополнил и переработал Гамов. Согласно этой теории, когда-то давным-давно наша Вселенная представляла собой бесконечно малый сгусток, сверхплотный и раскаленный до немыслимых температур. Это нестабильное образование внезапно взорвалось, пространство быстро расширилось, а температура разлетающихся частиц, обладающих высокой энергией, начала снижаться. Примерно после первого миллиона лет атомы двух самых легких элементов, водорода и гелия, стали стабильными. Под действием сил притяжения начали концентрироваться облака материи. В результате сформировались галактики, звезды и другие небесные тела. Звезды старели, взрывались сверхновые, после чего появлялись более тяжелые элементы. Они формировали звезды более позднего поколения, такие, как наше Солнце. В качестве доказательств того, что в свое время произошел Большой Взрыв, говорят о красном смещении света от объектов, расположенных на больших расстояниях, и микроволновом фоновом излучении.

Красное смещение

Наблюдаемый спектр элементов, находящихся от нас на очень большом расстоянии, в общем таков же, как и на Земле, но спектральные линии сдвинуты в низкочастотную область - к большей длине волны. Это явление называют красным смещением. Его пытаются объяснить тем, что Земля и объект разлетаются с большой скоростью в разные стороны. Следуя этой теории, если проследить этот процесс в прошлое, все должно было начаться из одной точки - Большого Взрыва.

Вполне возможно, что красное смещение в спектре дальних галактик происходит из-за того, что они удаляются от нас. Библия говорит о том, что Господь распростер небеса. Действие этого движения противоположно действию сил притяжения, что стабилизирует всю систему. Однако если небеса были созданы с этой «встроенной» кинетической энергией только несколько тысяч лет тому назад, то при попытке заглянуть в более древнее время мы можем прийти к ложным заключениям. Положение, сложившееся в обозримой Вселенной к нашему времени может дать нам некоторое понимание того, что происходило в прошлом, но утверждать что-либо с полной уверенностью мы не можем.

Еще одно возможное объяснение красного смещения - гравитационное притяжение света, исходящего от галактики или звезды. Крайним случаем этого эффекта может быть черная дыра, в которой свет вовсе не может преодолеть гравитационное притяжение (В соответствии с теорией, черные дыры возникли в результате гравитационного свертывания (коллапса) старых, истощенных звезд-гигантов. Из-за особенностей строения и функционирования черных дыр обнаружить их чрезвычайно трудно. К нынешнему дню мы не можем с уверенностью утверждать, обнаружена ли хоть одна из них).

Советские ученые предположили, что красное смещение может происходить из-за снижения со временем скорости света. (Troitskii , Astrophysics and Space Science , 139, (1987) 389). Такой эффект способен породить и фоновое излучение.

Фоновое излучение

Теоретики предположили, что «эхо» первичного Большого Взрыва тоже претерпело красное смещение, и искать его теперь нужно в микроволновом диапазоне спектра. В 1965 году Пенциас и Уилсон (Penzias, Wilson ) обнаружили микроволновое фоновое излучение с температурой всего 3° выше абсолютного нуля. Может ли это быть доказательством большого взрыва?

Фоновое излучение приблизительно в 3°К совершенно одинаково во всех направлениях, т.е. изотропно. Вселенная состоит из огромных пустых пространств и гигантских скоплений галактик. Если излучение свидетельствует о прошлом Вселенной, то оно не должно быть изотропным. Именно из-за этого несоответствия НАСА послала специальный спутник (COBE) с целью более точного измерения фонового излучения. И опять-таки оказалось, что излучение совершенно одинаково во всех направлениях. Однако с помощью многократного компьютерного усиления сигнала астрономы получили наконец долгожданную анизотропию. Разница температур составляла миллионные доли градуса. 1 мая 1992 года в журнале Science была напечатана статья, в которой сказано, что разница температур «находится намного ниже уровня шумов измерительных приборов».

Нечто из ничего

Астроном Дэвид Дарлинг (Darling ) в статье в New Scientist (14 сентября 1996 г., с. 49) предостерегает: «Не позволяйте толкователям космологии одурачить вас. У них тоже нет ответов на вопросы - хотя они хорошенько поработали над тем, чтобы убедить всех, и себя в том числе, в том, что им все ясно... На самом же деле объяснение того, как и откуда все началось - до сих пор серьезная проблема. Не помогает даже обращение к квантовой механике. Либо не существовало ничего, с чего все могло бы начаться - ни квантового вакуума, ни прегеометрической пыли, ни времени, в котором могло происходить что-либо, ни каких бы то ни было физических законов, в соответствии с которыми ничто могло превратиться в нечто. Либо же существовало нечто, и в этом случае оно требует объяснения».

Первый Закон, о котором мы уже говорили, гласит: нельзя получить что-либо из ничего.

Порядок из взрыва? Согласно Второму Закону термодинамики порядок, наблюдаемый в нашей Солнечной системе, не может быть следствием взрыва. Взрыв не ведет к порядку. Для того, чтобы получить некий порядок, необходимо введение не только энергии, но и информации.

Скрытая холодная темная материя

Огромная проблема теории большого взрыва в том, как предполагаемое изначальное излучение высокой энергии, якобы разлетаясь в разные стороны, могло объединиться в такие структуры как звезды, галактики и скопления галактик. Такая теория предполагает наличие дополнительных источников массы, обеспечивающих соответствующие значения силы притяжения. Эта материя, обнаружить которую так и не удалось, была названа Холодной Темной Материей (CDM - Cold Dark Matter). Подсчитали, что для образования галактик необходимо, чтобы такая материя составляла 95-99% Вселенной. Эта материя сродни новому наряду короля из сказки Андерсена - все говорят о нем, но никто его не видел. Какие только источники CDM ни изобретались! М. Хокинс (Hawkins ) в книге Hunting down the Universe (1997) предположил, что 99% всей массы Вселенной составляют мини-черные дыры, каждая размером с двуспальную кровать. Но если эти таинственные черные дырочки образовались в результате свертывания звезд, как предполагает теория, они вряд ли бы могли быть причиной образования звезд - звезды образуются только из звезд. Еще один претендент на потерянный источник притяжения - «извивающиеся полосы волокнистого вещества, простирающиеся в космосе на миллионы километров, а также сверхтяжелые сгустки энергии, имеющие форму кренделя» (New Scientist , 27 сентября 1997 г., с. 30). Имеют ли красные карлики какое-то отношение к искомой гравитации? Нет, отвечают специалисты по космологии, их слишком мало, и их плотность не настолько высока. К августу 1997 года были зарегистрированы только шесть коричневых карликов, вернее, только о шести можно говорить с уверенностью. 30 апреля 1992 года журнал Nature написал: «Вне области космологии, для которой они и были изобретены, ни темная материя, ни расширение вселенной не имеют заслуживающей доверия поддержки».

Утерянная антиматерия

Если материя возникла благодаря излучению высокой энергии, порожденному большим взрывом, то одновременно с ней должно было образоваться такое же количество антиматерии. Но не образовалось. Если бы это произошло, материя и антиматерия аннигилировали бы друг друга.

Рождение и смерть звезд

В Библии сказано, что Создатель завершил Свою работу в шесть дней. По теории же большого взрыва звезды рождаются и умирают попеременно. Считается, что звезды формируются при сгущении пылевых облаков. Поскольку утверждается, что процесс этот занимает миллионы лет, никто не видел, как родилась хотя бы одна звезда. Астрономы могут показать на любую туманность и заявить, что это и есть протозвезда. Но так ли это? Со временем звезда сгорает и начинает сжиматься собственной гравитацией. В результате происходит взрыв сверхновой. Подобное зрелище можно было наблюдать в 1987 году, причем в течении нескольких месяцев. 4 июля 1054 года, согласно китайским летописям, такое же явление наблюдали в том районе неба, где сейчас находится Крабовидная туманность. Смерть и разрушение постигнет все существующее, об этом говорит Второй закон термодинамики. Звезды подразделяются на три основных категории: главная последовательность (как наше Солнце), красные гиганты и белые карлики. Считается, что звезда за миллионы лет своей жизни должна пройти все три этих стадии. Диаграммы, отражающие яркость звезд в зависимости от их температуры, ясно показывают существование трех типов звезд.

Звезда Сириус - самая яркая из видимых нами звезд и пятая из ближайших к Земле. Вокруг нее вращается тусклая белая звезда-карлик. Но судя по записям хроник, всего полторы тысячи лет тому назад эта звезда-спутник была красным гигантом. Смерть и разрушение звезд, очевидно, процесс не такой уж и медленный.

Размер и возраст Вселенной

Расстояния в космосе оцениваются по постоянной Хаббла, соотносящей расстояние и скорость удаления. То есть, чтобы узнать расстояние, мы используем то же самое расстояние! Говоря о неопределенности значения этой константы, редактор журнала Nature (27 июля 1995 г., с. 291), отметил: «Досадно, что пока сохраняются расхождения, специалисты по космологии не будут знать, как же относиться к таким вопросам, как, например, был ли большой взрыв на самом деле».

Магнитные поля, обнаруженные у Ганимеда, Марса и других планет, не поддаются объяснению, если исчислять их возраст миллионами лет. Несмотря на то, что вопрос о времени накоплении пыли на Луне был кардинально пересмотрен, до сих пор не решена проблема - почему все-таки на Луне так мало пыли? Не решен вопрос и о нестабильности колец Сатурна.

Антропный принцип

Ядро атома любого химического элемента состоит из протонов и нейтронов. По величине протоны чуть больше нейтронов. Если бы протон весил на 0,2% больше, он был бы нестабилен и распался бы на нейтрон, позитрон и нейтрино. В ядре атомов водорода - один протон, так что если бы протон был нестабилен, не существовали бы ни звезды, ни вода, ни органические молекулы. Стабильность протона не является предметом естественного отбора, значит, он должен быть именно таким с самого начала.

Притягивающая сила гравитации обратно пропорциональна квадрату расстояния R между массами, точнее - R-2.00000. Если бы это соотношение не было таким сверхточным, Вселенная не была бы единым целым.

Земля находится от Солнца на расстоянии, оптимальном для существования на нашей планете жизни. Скорость вращения Земли; ее океаны и атмосфера; Луна; массивный Юпитер, отклоняющий кометы, угрожающие нашей планете (как комета Шумейкера-Леви) своим притяжением - все это служит поддержанию жизни на Земле.

Похоже, что и Вселенная, и Солнечная система, и Земля - все это было создано специально для человека. Наука признает этот факт и называет его антропным принципом.

То, что Создателя нельзя обнаружить и измерить с помощью научных инструментов, отнюдь не значит, что Его нет. Но это толкает ученых на поиски альтернативных объяснений. Один астроном предположил, что наша Вселенная была создана невесть откуда взявшимися разумными существами! А другой считает, что наша Вселенная - одна из миллиардов вселенных, единственная, имеющая все условия для существования жизни...

Разумная Вселенная

Сэр Фред Хойл (Hoyle ), известный астроном, как-то написал: «Картина Вселенной, образования галактик и звезд, по крайней мере как она предстает в астрономии, удивительно нечетка, как пейзаж, видимый в тумане... Очевидно, что в изучении космологии упущен один компонент - тот, что предполагает разумный замысел».

Так был ли большой взрыв? Красное смещение и фоновое излучение не могут служить убедительными доказательствами этому. Законы термодинамики, гравитации и теория информации, тем не менее, дают достаточно однозначный ответ. Никакого взрыва не было.

Д-р Дэвид Роузвер

Dr.David Rosevear. Was there a Big Bang?

Creation Science Movement (UK), Pamphlet 317. Перевод с английского Елена Буклерская.

Группой астрономов, работающих в Европейской Южной обсерватории, а также в обсерваториях Франции и Индии, впервые получено экспериментальное подтверждение правильности теории Большого взрыва. Они определили температуру фонового микроволнового космического излучения в тот момент, когда возраст Вселенной составлял всего 2,5 млрд лет. Если Вселенная действительно была образована в результате Большого взрыва, то ее первичный огненный шар должен был бы в прошлом иметь более высокую температуру, чем сейчас.

Для подтверждения этого предположения с помощью спектрографа UV-Visual Echelle Spectrograph (UVES), установленном на 8,2-метровом телескопе VLT Kueyen в Европейской Южной обсерватории, был получен спектр излучения далекого квазара PKS 1232+0815. Анализ этого спектра показал, что в молодой Вселенной действительно имело место реликтовое излучение, причем его температура была выше, чем нынешние 2,7 градусов К. Для измерений использовались некоторые линии поглощения нейтральных атомов углерода. Исследования показали, что, когда Вселенной было около 2,5 млрд лет, температура реликтового излучения лежала в пределах между 6 и 14 градусами К, что соответствует данным теории Большого взрыва (9 градусов К).

Реликтовое излучение было предсказано теоретически в 40-х годах, а открыто оно было с помощью радиотелескопа в 1965 г. американскими физиками Арно Пензиасом (Arno A. Penzias) и Робертом Уилсоном (Robert W. Wilson). За это открытие они в 1978 г. получили Нобелевскую премию.

Появление вселенной! Международная группа ученых получила экспериментальное подтверждение теории Большого взрыва. Им удалось в ходе опытов со столкновением частиц -воссоздать первые мгновения зарождения Вселенной: Согласно теории, в течение нескольких микросекунд после Большого взрыва произошел мощный скачок температуры, при которой материя существовала в виде плазмы - хаотичного движения фундаментальных частиц. Эти частицы называются кварками (это базовые "кирпичики" мироздания + глюоны - нейтральные частицы, которые сцепляют кварки между собой). После падения температуры глюоны соединили кварки в протоны и нейтроны, те образовали ядра и атомы. Во время экспериментов специалисты смогли воссоздать плазму материи, предположительно образовавшуюся после взрыва. В частности, они сталкивали ядра атомов золота на скорости, близкой к скорости света. В итоге температура в зоне эксперимента повысилась до двух триллионов градусов, что в 300 млн раз превышает температуру поверхности Солнца. Было отмечено также и исчезновение одного из сталкиваемых потоков ядер. Как считают ученые, ядра распались на невидимые кварки, существовавшие доли секунды.

Ученые считают, что жизнь на Земле зародилась на 300 млн лет раньше, чем предполагают. Ученые считают, что жизнь на Земле зародилась на 300 млн лет раньше, чем предполагают. Жизнь на Земле появилась на 300 млн лет раньше, чем предполагают специалисты, обнаружившие следы жизни в осколке каменной гряды, находящейся в 150 км от главного города острова Гренландия - Нуука. Жизнь на Земле появилась на 300 млн лет раньше, чем предполагают специалисты, обнаружившие следы жизни в осколке каменной гряды, находящейся в 150 км от главного города острова Гренландия - Нуука. Возраст камня оценивается в четыре млрд лет. Ученые намерены доказать, что жизнь на Земле в форме морских водорослей появилась гораздо ранее, чем это зафиксировано сейчас специалистами в области геологии. Возраст камня оценивается в четыре млрд лет. Ученые намерены доказать, что жизнь на Земле в форме морских водорослей появилась гораздо ранее, чем это зафиксировано сейчас специалистами в области геологии.

Американские ученые обнаружили свидетельства того, что 380 млн. лет назад наша планета столкнулась с неизвестным космическим телом, в результате чего погибло 40% всех обитателей океана. Как сообщила группа исследователей - это тело могло быть кометой или астероидом. И врезалось оно в Землю в том месте, где сейчас находится марокканская часть пустыни Сахары. По словам ученых, открытие является еще одним подтверждением теории, что эволюционное развитие на Земле происходило во многом под воздействием космических "пришельцев" - комет и астероидов. После столкновения с ними погибали одни организмы и образовывались новые. Подобные катаклизмы, как считается, происходили еще несколько раз миллионов, 200 миллионов и 65 миллионов лет назад. Место падения астероида 65 миллионов лет назад также известно - это полуостров Юкатан в Мексике. Тогда погибло около 75% живых существ на планете, в том числе и динозавры. По словам ученых, открытие было сделано в ходе изучения в марокканской пустыне каменистых пластов девонского периода. Ископаемые остатки позволяют также сделать однозначный вывод - катастрофа привела к образованию новых организмов. Ученые доказали, что развитие Земли изменили гигантские метеориты

Тайну происхождения жизни раскроют глубоководные микроорганизмы Работы ученых по расшифровке генома микроорганизмов, обитающих в гидротермальных источниках на океанском дне, - это весомый вклад в изучение вопросов зарождения и эволюции жизни на планете. Эти работы направлены на изучение вопросов существования на планете, эволюционных и адаптационных проблем. Ученые впервые предпринимают попытку расшифровать ген этих уникальных микроорганизмов, которые, по мнению ряда экспертов, являются древнейшими обитателями на планете и могли возникнуть около 4 миллиардов лет назад.

Ученые оживили древнейшую бактерию. Американским ученым удалось оживить бактерию, обнаруженную в куске соли возрастом 250 млн. лет. Бактерия была найдена в небольшой капле воды, которая уцелела внутри кристалла соли. Эта находка была сделана на глубине около 500 м недалеко от города Карлсбада в штате Нью-Мексико. Сейчас проводится уточнение возраста бактерии. Некоторые ученые не исключают возможности того, что микроорганизм попал в недра кристалла вместе с просочившейся в него позднее водой. Если возраст бактерии подтвердиться, то она станет самым древним представителем жизни на земле, который когда- либо оживляли ученые. Ранее исследователям удалось вернуть к жизни бактерию, споры которой были обнаружены во внутренностях пчелы из куска янтаря, сформировавшегося от 25 до 30 млн. лет назад. По мнению ряда ученых, нынешняя находка подтверждает гипотезу о внеземном происхождении жизни на Земле. Тот факт, что бактерия может выйти из анабиоза через 250 млн. лет, доказывает, что микроорганизмы могли бы выдержать космическое путешествие и появиться на нашей планете вместе с метеоритами.

Вселенная погибнет через 20 млрд лет из-за "большого взрыва", полагают американские ученые Вселенная, возникшая 13,7 млрд лет назад в результате Большого взрыва, прекратит свое существование примерно через 20 млрд лет из-за последствий того же Большого взрыва. Такую гипотезу выдвинула группа американских астрофизиков, основываясь на последних результатах космических исследований. Американские ученые считают, что процесс расширения пространства будет продолжаться с нарастающим ускорением под воздействием загадочной темной энергии, занимающей, согласно последним открытиям, около 73 процентов от всей массы Вселенной. В результате этого катастрофического процесса не только все космические объекты начнут разлетаться все дальше друг от друга, но и будут преодолены силы ядерного взаимодействия. По словам одного из ученого, "расширение станет таким быстрым, что буквально разорвет на части" галактики, звезды, Солнечную систему, планеты. "В конце концов оно разорвет и материю", - обещает ученый. "Мы не знаем, что будет после этого, - говорит он. - Но это будет выглядеть как конец времени".

Почему ученые считают, что Вселенная началась со взрыва?

Астрономы приводят три очень разные последовательности рассуждений, которые создают прочную основу для данной теории. Давайте рассмотрим их подробнее.

Открытие явления расширения Вселенной . Вероятно, самое убедительное доказательство теории Большого Взрыва вытекает из замечательного открытия, сделанного американским астрономом Эдвином Хабблом в 1929 году. До этого большинство ученых считали Вселенную статичной - неподвижной и не меняющейся. Но Хаббл обнаружил, что она расширяется: группы галактик разлетаются одна от другой, так же как осколки разбрасываются в разных направлениях после космического взрыва (см. раздел "Постоянная Хаббла и возраст Вселенной" в этой главе).

Очевидно, что если какие-то объекты разлетаются, то когда-то они были ближе один к другому. Прослеживая процесс расширения Вселенной назад во времени, астрономы пришли к выводу, что около 12 миллиардов лет назад (плюс-минус несколько миллиардов лет) Вселенная представляла собой невероятно горячее и плотное образование, высвобождение огромной энергии из которого было вызвано взрывом колоссальной силы.

Открытие космического микроволнового фона . В 1940-х годах физик Георгий Гамов понял, что Большой Взрыв должен был породить мощное излучение. Его сотрудники предположили также, что остатки этого излучения, охлажденные в результате расширения Вселенной, могут все еще существовать.

В 1964 году Арно Пенциас и Роберт Вилсон из AT & Т Bell Laboratories , сканируя небо с помощью радиоантенны, обнаружили слабое равномерное потрескивание. То, что они сначала приняли за радиопомехи, оказалось слабым "шелестом" излучения, оставшегося после Большого Взрыва. Это однородное микроволновое излучение, пронизывающее все космическое пространство (его еще называют реликтовым излучением). Температура этого космического микроволнового фона (cosmic microwave background) в точности такая, какой она должна быть по расчетам астрономов (2,73° по шкале Кельвина), если охлаждение происходило равномерно с момента Большого Взрыва. За свое открытие А. Пенциас и Р. Вилсон в 1978 году получили Нобелевскую премию по физике.

Изобилие гелия в космосе . Астрономы обнаружили, что по отношению к водороду количество гелия в космосе составляет 24 %. Причем ядерные реакции внутри звезд (см. главу 11) идут недостаточно долго для того, чтобы создать так много гелия. Но гелия как раз столько, сколько теоретически должно было образоваться во время Большого Взрыва.

Как оказалось, теория Большого Взрыва успешно объясняет явления, наблюдаемые в космосе, но остается только отправной точкой для изучения начального этапа развития Вселенной. Например, эта теория, несмотря на ее название, не выдвигает никаких гипотез об источнике "космического динамита", который и вызвал Большой Взрыв.

Раздувание Вселенной

Помимо отсутствия указания источника взрыва, у теории Большого Взрыва есть и другие слабые места. Например, она не объясняет, почему районы Вселенной, которые разделяет такое огромное расстояние, что между ними нельзя установить связь, - даже с помощью посланника, путешествующего со скоростью света, - тем не менее, выглядят настолько похожими один на другой.

В 1980-х годах физик Алан Гут выдвинул теорию раздувания (или инфляции ) Вселенной, которая способна объяснить эти загадки. А. Гут предположил, что за крошечную долю секунды после рождения Вселенная испытала скачок колоссального роста. Всего за 10 -32 секунды Вселенная расширилась со скоростью гораздо большей, чем когда-либо в последующие примерно 14 миллиардов лет, который прошли с тех пор.

В этот период мощного расширения мельчайшие фрагменты, которые раньше находились в тесном контакте, были разбросаны в далекие уголки Вселенной. А в большом масштабе Космос выглядит везде одинаково, в каком направлении наблюдатель ни направил бы свой телескоп. На самом деле в результате раздувания мелкие участки Космоса превращаются в объемы намного большие, чем земные астрономы когда-либо могли наблюдать. Из этого расширения следует возможность создания вселенных, находящихся далеко за пределами нашей собственной Вселенной. Возможно, существует не одна, а множество вселенных, или мультивселенная (multiverse).

У раздувания есть еще одно свойство. В процессе этого скачкообразного роста происходят захват случайных субатомных колебаний энергии и увеличение их до макроуровня. Благодаря сохранению и усилению этих квантовых колебаний в процессе раздувания создаются участки, немного различающиеся по плотности.

В одних районах, в среднем, содержится больше материи и энергии, чем в других. Это соответствует холодным и горячим температурным уровням космического микроволнового фона (см. предыдущий раздел и рис. 16.1). Со временем гравитация на основе этих различий создала тонкую паутину из скоплений галактик и огромных пустот, из которых состоит Вселенная сегодня.

Рис. 16.1. Светлые и темные пятна на этой карте неба, полученной с помощью спутника СОВЕ (Cosmic Background Explorer - Исследователь космического фона), указывают на горячие и холодные участки космического микроволнового фона

Фотография любезно предоставлена NASA

• Перевод

Как характерная черта, основанная на наблюдении космической инфляции, может провозгласить научную революцию века (18 марта 2014 года)

Несмотря на название, Теория большого взрыва – это вообще не теория взрыва. Это теория последствий взрыва.
- Алан Гут

Когда вы представляете себе начало Вселенной, вы, наверно, думаете о горячем, плотном состоянии, наполненном материей и излучением, которое невероятно быстро расширяется и охлаждается (и, кстати, так всё и было). Но чего нельзя сделать – так это экстраполировать назад до произвольно горячего и плотного состояния. Вы можете думать, что без проблем пройдёте назад по времени, до «сингулярности» с бесконечными температурой и плотностью, когда вся энергия Вселенной была сжата в единую точку – но это не соответствует действительности.

Одна из замечательных особенностей Вселенной состоит в том, что излучение, зародившееся в то время, всё ещё существует. Оно претерпевало отражения от заряженных частиц во времена Вселенной, бывшей юной, горячей и ионизированной (а это продлилось в течение 380 000 лет). Когда Вселенная стала электрически нейтральной (когда материя впервые сформировала нейтральные атомы), оставшееся от Большого взрыва излучение устремилось по прямой, не прерываемое этой нейтральной материей.

По мере расширения Вселенной - из-за того, что энергия излучения определяется длиной волны – эти длина волны растягивалась вместе с расширением пространства, а энергия с тех пор весьма сильно упала. Но это очень помогает нам, поскольку даёт материал для наблюдений.

И если бы мы могли увидеть и измерить эти волны, они дали бы нам окошко для заглядывания в раннюю Вселенную! И вот, в 1960-х, Арно Пензиас и Роберт Уилсон обнаружили это остаточное свечение от Большого взрыва – излучение, равномерно идущее во всех направлениях, всего лишь на несколько градусов выше абсолютного нуля – и в нём учёные сразу узнали микроволновое космическое фоновое излучение, которое так долго искали!

Спустя 50 лет мы добились невероятного прогресса. Мы смогли не только измерить энергетический спектр этого излучения, но и измерить присущие ему крошечные флуктуации температуры, а так же их масштабы, их взаимосвязь между собой и как это все относится к эволюции Вселенной.

В частности, мы узнали, как выглядела Вселенная в возрасте 380 000 лет, из чего она сделана, и как взаимодействующая материя повлияла на излучение на его пути к нашим глазам длиною в 13,8 миллиардов лет.

Но есть ещё кое-что, что может дать нам информацию об этих вещах: мы можем изучать не только энергию и температуру света, но и его поляризацию. Дайте-ка я поясню.

По сути, свет – это электромагнитная волна. Значит, он состоит из колеблющихся электрических и магнитных полей, перпендикулярных друг другу, у него есть особая длина волны (определяемая энергией), и он распространяется со скоростью света.

Пролетая мимо заряженных частиц, отражаясь от поверхности, взаимодействуя с другими электромагнитными явлениями, электрические и магнитные поля реагируют с окружающей их средой.

Изначально полученный свет должен быть неполяризованным, но огромное количество вещей приводит к его поляризации самыми разными способами. Иначе говоря, свет, который обычно имеет случайно ориентированные электрические и магнитные поля, может испытать взаимодействия, в результате которых у них появится предпочтительная ориентация. И вот она уже сможет рассказать нам очень много познавательных вещей про то, с кем свет взаимодействовал за свою историю.

Эффект поляризации фонового микроволнового излучения впервые открыли в прошлом десятилетии при помощи спутника WMAP, а от обсерватории «Планк» в будущем ожидают ещё лучших результатов (но этот тип исследований, надо отметить, очень сложен в реализации). Поляризация, благодаря которой свет выглядит «радиальным», называется Е-модой поляризации (для электрических полей), а та, из-за которой свет «закручен», называется B-модой поляризации (для магнитных полей).

Большинство наблюдаемых эффектов произошло из-за миллиардов световых лет материи, которую прошёл насквозь свет; мы называем это «передним планом». Ему пришлось пройти весь путь во всех направлениях со времён эры излучения, чтобы дойти сегодня до наших глаз.

Но крохотная, малюсенькая часть поляризации должна была дойти до нас с более ранних времён. Видите ли, до Большого взрыва – до того, как Вселенную вообще можно было бы описать, как горячую, плотную, и наполненную материей и излучением – Вселенная просто экспоненциально расширялась; это был период космической инфляции. В это время во Вселенной господствовала энергия, присущая самому пустому пространству – энергия в количестве гораздо большем, чем присутствует в ней сегодня.

В это время квантовые флуктуации – присущие самому пространству – растягивались по Вселенной, и обеспечивали изначальные флуктуации плотности, которые породили сегодняшнюю Вселенную.

Но только в регионах, где закончилась инфляция, и где эта энергия, присущая пространству, преобразовывается в материю и излучение, и случается Большой взрыв.

И в этих регионах – где закончилась инфляция – у нас получается Вселенная, гораздо большая, чем наблюдаемый её участок. Это и есть идея мультивселенной, и именно поэтому мы считаем, что, скорее всего, живём в ней.

А что насчёт самой этой инфляции? Можем ли мы что-нибудь узнать о ней?

Вы можете решить, что квантовые флуктуации – и посеянные ими флуктуации плотности – это всё, что у нас есть. И до недавнего времени я бы вам так и сказал. Но в теории инфляция порождает и гравитационные волны, которые мы до сих пор не могли обнаружить. LISA, космическая антенна лазерного интерферометра (проект, отодвинутый в лучшем случае в 2030-е), был нашей лучшей надеждой на прямое обнаружение волн.

Но и без LISA гравитационные волны можно обнаружить непрямым методом. Хотя гравитационные волны и свет передвигаются с одинаковой скоростью, свет замедляется при проходе через среду. Это происходит даже в такой разреженной среде, как межгалактическое и межзвёздное пространство! А поскольку гравитационные волны не замедляются – на них влияет только кривизна пространства-времени – они обгоняют свет и сами приводят к поляризации!

Вообще, именно деформации пространства-времени на определённых масштабах растягивают волны света определённым образом, когда они путешествуют от Большого взрыва и до наших глаз.

Конкретно, характерные признаки гравитационных волн должны проявиться, как B-мода поляризации, и они должны оставить специфический рисунок на больших масштабах.

Хотя в обсерватории «Планк» должны это увидеть и подтвердить, его опередила команда, работающая на Южном полюсе: BICEP2!

На масштабах порядка 1,5 градусов B-мода поляризации весьма очевидна, и её уже объявляли открытой, правда со значимостью 2,7σ (примечание: на данных масштабах значимость составляет 5,2σ, но им надо убедить всех, что этот уровень обнаружения не появился благодаря комбинации переднего плана и систематики). 2,7σ означает, что существует 2% шанс того, что это обнаружение ложное, и исчезнет с получением большего количества данных. Но в мире науки это довольно большая вероятность, поэтому пока не стоит считать это открытие свершившимся фактом.

Если открытие выдержит проверку, это будет весьма серьёзным событием. Именно это нам надо измерить, и не только для того, чтобы узнать, была ли инфляция (скорее всего, она была), но чтобы узнать, какая из моделей инфляции описывает Вселенную?

«Планк», выпустив первые результаты в прошлом году, не обнаружил вообще ничего.

Существует несколько общих типов инфляции, которые могли произойти: в частности, если значение r в указанных графиках окажется равным нулю, это будет в пользу модели «малых полей», а если он окажется чем-то огромным (например, 0,2, судя по этим результатам), это будет доказательством модели «больших полей».

Однозначный ли это результат? Нет. Нам нужна гораздо лучшая статистика, чтобы объявить это открытием – мы не можем принять эти результаты и объявить: «да, это изначальные гравитационные волны, оставшиеся со времени до инфляции», так как нам нужны доказательства получше. 2,7σ – это неплохо, но в жестоком мире физики нам нужен подтверждённый результат в 5σ. Мусорная корзина истории физики полна «открытий» с 3σ, которые исчезли с поступлением новых данных.

Мы знаем, что инфляция была; истоки структуры во Вселенной – её сегодняшний внешний вид, её вид 13,8 миллиардов лет назад, и в любом месте в промежутке – уже рассказал нам об этом. Но есть возможность, и первые намёки, что гравитационные волны также могли остаться. И если выяснится, что мы действительно их увидели, мы должны будем получить подтверждение этому в следующие несколько лет. Но если наблюдение перейдёт в разряд незначительных по мере сбора данных, это не будет означать, что модель инфляции неправильная – только, что не она производит самые сильные B-моды.

Это пока ещё не «открытие», но намёк, что мы могли наткнуться на что-то удивительное: первый намёк на то, как родилась наша Вселенная. Если он окажется верным, это будет открытие столетия. Но если новые данные опровергнут его – что вполне может произойти – это не значит, что модель инфляции неправильная; это значит, что гравитационные волны от инфляции меньше, чем предсказывали самые оптимистичные модели.

Но будет оно реальным или нет, мы всё равно узнаем ещё немного о том, как появилась вся наша Вселенная.

Обновление: в комментариях к оригинальной статье читатели сообщали, что в работе упоминается значимость больше, чем 5σ. В частности, они смотрят на определённый участок угловой шкалы, где они и в самом деле видят сигнал со значимостью в 5.2σ.

Может ли фокусировка быть за это в ответе? Это единственный компонент, который можно вычеркнуть – если я, конечно, правильно понял работу – со значимостью всего лишь в 2.7σ.

Смотрите сами.

Значимость результата не выше, чем у самого вероятного из источников неопределённости, и если даже r и может быть равен нулю, очень важно исключить эту возможность. В работе её, возможно, исключили, но мне не показалось, что это было сделано чётко и ясно. Тем не менее, мне очень интересно, как это всё будет развиваться! Если они исключат фокусировку так же, как и синхротронную эмиссию, ограничение в 5σ будет выполнено, и это уже будет означать Нобелевку!

17 марта 2014 года учёные из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики объявили о обнаружении B-моды на уровне r = 0,2. Однако, более поздний анализ (опубликован 19 сентября 2014), проведённый другой группой исследователей с использованием данных обсерватории «Планк», показал, что результат BICEP2 можно полностью отнести на счёт галактической пыли.