Коли в 1980 році Алан Гут запропонував теорію інфляції, це була не більш ніж спекулятивна гіпотеза. Але до кінця 1990-х вона вже була близька до того, щоб стати наріжним каменем сучасної космології. Нові спостереження підтвердили передбачення теорії, причому вельми несподіваним способом. Перед читанням бажано ознайомитися з такими матеріалами:
- Космічна інфляція: ненав'язливий вступ;
- Космічна інфляція: проблема витонченого виходу та її витончене розв'язання;
- Наффілдський симпозіум, космологічні збурення та топологічні дефекти.
- Всесвіт як безкоштовний обід.
Повернення космологічної сталої
Найголовніше передбачення інфляції полягає в тому, що спостережувана область Всесвіту має бути плоскою, тобто мати евклідову геометрію. Всесвіт загалом цілком може бути сферичним або мати складнішу форму, але горизонт охоплює лише крихітну його частину, і тому ми не можемо відрізнити її геометрію від плоскої. Це твердження рівнозначне тому, що середня густина Всесвіту має з дуже високою точністю дорівнювати критичній.
У період появи теорії інфляції астрономи ставилися до її передбачень досить скептично. Звичайна речовина, що складається з протонів, нейтронів та електронів, забезпечує лише кілька відсотків критичної густини. Існує також набагато більша кількість так званої темної матерії, що складається з якихось невідомих частинок. Відповідно до її назви, темну матерію не можна спостерігати безпосередньо, але її присутність виявляється через гравітаційне притягання, що діє на видимі об'єкти. Спостереження за рухом зір і галактик свідчать, що маса темної матерії приблизно в десять разів більша за масу звичайної речовини. І все ж, навіть якщо скласти обидва ці види маси, у Всесвіті набирається лише близько 30 відсотків критичної густини, до потрібного значення бракує ще 70 відсотків.
Такими були уявлення до 1998 року, коли дві незалежні дослідницькі групи оголосили про разюче відкриття. Вони виміряли яскравість вибухів наднових у далеких галактиках і використали ці дані для уточнення історії космологічного розширення.(Відстань до наднової, яку визначають за її видимим із Землі блиском, свідчить про те, як довго світло від неї йшло до нас, а отже, і про те, коли стався вибух. Почервоніння світла (доплерівське зміщення) можна використати для оцінки швидкості космологічного розширення в той час.) На превеликий подив, вони виявили, що замість сповільнення під дією гравітації швидкість розширення насправді зростає. Це відкриття свідчило про те, що Всесвіт заповнений певною субстанцією, яка спричиняє гравітаційне відштовхування. Найпростіша можливість полягає в тому, що істинний вакуум, у якому ми живемо, має ненульову густину маси.
Як ми знаємо, вакуум спричиняє гравітаційне відштовхування, і якщо його густина перевищує половину густини маси речовини, сумарним результатом буде відштовхування.
Густина маси істинного вакууму — це те, що Ейнштейн називав космологічною сталою, ідея, яку він сам оголосив своєю найбільшою помилкою. Вона була похована майже на 70 років, але сьогодні, схоже, не виглядає такою вже невдалою. Як ми побачимо далі, несподіване повернення космологічної сталої призвело до глибокої кризи у фізиці елементарних частинок. Однак для теорії інфляції це стало надзвичайно сприятливим поворотом подій. Густина маси вакууму, оцінена за величиною космологічного прискорення, становить близько 70 відсотків критичної густини — саме стільки, скільки потрібно, щоб зробити Всесвіт плоским!
Цей висновок був згодом підтверджений спостереженнями космічного мікрохвильового випромінювання.
Замість того щоб покладатися на фрідманівський зв'язок між геометрією Всесвіту та його густиною, мікрохвильові спостереження дають змогу безпосередньо визначити геометрію простору — по суті, шляхом вимірювання суми кутів величезного вузького трикутника, одна вершина якого розташована на Землі, а дві інші — у точках випромінювання мікрохвиль, що надходять до нас від двох близьких точок на небі. (Довгі сторони цих трикутників мають сьогодні протяжність близько 40 мільярдів світлових років.) У плоскому просторі, як відомо ще зі шкільних уроків геометрії, сума кутів має становити 180 градусів. Більше значення суми трьох кутів указуватиме на замкнутий Всесвіт зі сферичною геометрією (рис. 9.1), а менше — на відкритий із сідлоподібною. Мікрохвильові спостереження показують, що насправді сума кутів дуже близька до значення, яке відповідає плоскому простору. Ці результати можна виразити інакше, використовуючи фрідманівське співвідношення між геометрією та густиною. Найновіші вимірювання в такому разі вказують на те, що густина Всесвіту дорівнює критичній з точністю не гірше 2 відсотків — вражаючий успіх інфляційної космології.
Образи палаючого минулого
Іншим тріумфом інфляції було пояснення невеликих збурень густини, ледь помітної брижистості, яка згодом перетворилася на галактики. Теорія інфляції дала чітке передбачення: величина збурень має бути приблизно однаковою на всіх астрофізичних масштабах довжини — від характерних міжзоряних відстаней (у кілька світлових років) і аж до розмірів усього видимого Всесвіту. На початок 1990-х спостерігачі були готові перевірити це передбачення.
Первинна брижистість залишає відбиток у фоновому космічному випромінюванні. Це післясвітіння Великого вибуху було випромінене 13 мільярдів років тому і зараз надходить до нас з усіх напрямків на небі. Від самого відкриття цього випромінювання в середині 1960-х років космологи здогадувалися, що в ньому прихований образ раннього Всесвіту. Однак первинні неоднорідності були настільки малими — усього одна стотисячна від середньої інтенсивності, — що довгі роки залишалися за межами точності вимірювань, і спостерігався лише ідеально однорідний фон. Прорив стався в 1992 році, коли було запущено супутник COBE (Cosmic Background Explorer, "дослідник космічного фону"). Він побудував повну карту неба, вимірявши випромінювання, що надходить з усіх напрямків, і вперше зміг розрізнити ледь помітні варіації його інтенсивності.
Карта COBE нагадує розфокусовану фотографію: на ній видно лише великі особливості космічної вогняної кулі, а тонші деталі, менші приблизно за 7 градусів на небі, цілком розмиті. (Для порівняння: Місяць видно під кутом пів градуса.) За COBE послідувала серія інших експериментів із дедалі вищою точністю. Останньою з них стала інша супутникова місія WMAP. На зображенні вогняної кулі, отриманому WMAP, розрізнимі деталі розміром в 1/5 градуса, тобто воно в 30 разів чіткіше за початкову карту COBE.
У міру збирання даних поступово, крок за кроком, проступала картина первинної брижистості. І, що разюче, вона виявлялася в цілковитій згоді з передбаченнями теорії інфляції! Ці свідчення ранньої гарячої епохи залишалися на небі мільярди років, очікуючи, поки їх відкриють і розшифрують. І ось тепер небеса нарешті заговорили.
У найближчі роки інфляції належить пройти через серію нових спостережних перевірок. Фізична теорія може підтверджуватися експериментом, але ніколи не може бути доведена. З іншого боку, одного твердо встановленого факту достатньо, щоб її спростувати. Наприклад, інфляція передбачає, що густина має дорівнювати критичній з точністю 1 до 100000. Тож, якщо майбутній експеримент виявить значніше відхилення, інфляція опиниться у скрутному становищі.
Нове покоління місій із дослідження мікрохвильового фону включає супутник "Планк" (Він названий на честь першовідкривача квантової фізики Макса Планка, який вивів формулу, що описує, як енергія теплового випромінювання розподілена між хвилями різної частоти. Супутник було запущено 14 травня 2009 року.), який ще більше підвищить роздільну здатність зображення, а також наземну обсерваторію QUIET, яка з високою точністю вимірюватиме орієнтацію електричного поля (поляризацію) мікрохвиль. Поляризаційний візерунок чутливий до наявності гравітаційних хвиль — крихітних коливань геометрії простору-часу. Цей ефект може слугувати для перевірки ще одного передбачення інфляційної теорії: ми маємо бути занурені в гравітаційно-хвильове море з дуже широким спектром довжин хвиль — від розмірів, менших за Сонячну систему, і до найбільших спостережуваних масштабів. Амплітуда цих хвиль визначається енергією хибного вакууму — рушійної сили інфляції. Що вища енергія, то більші хвилі. Тож, якщо QUIET зареєструє гравітаційні коливання, ми отримаємо можливість визначити енергію хибного вакууму, що спричиняє інфляційне розширення. Це стало б важливим кроком до розуміння інфляції та її зв'язку з фізикою мікросвіту.
У міру надходження нових даних мої думки дедалі частіше зверталися до покинутої ідеї вічної інфляції. Головним аргументом проти неї було те, що вона розглядає Всесвіт за нашим горизонтом, недоступний для спостереження. Але якщо теорія інфляції підтверджується даними в спостережуваній частині Всесвіту, чи не слід нам довіряти і її висновкам про області, які ми не можемо спостерігати?
Якщо я кину камінь у чорну діру, то, використовуючи теорію відносності, зможу описати, як він падає до її центру і як руйнується та випаровується під дією колосальних гравітаційних сил. Усе це неможливо спостерігати ззовні, оскільки ні світло, ні будь-який інший сигнал не може вирватися зсередини чорної діри. І все ж лише небагато хто поставить під сумнів точність мого опису. У нас є всі підстави вважати, що теорія відносності діє всередині чорних дір точно так само, як і ззовні. Те саме можна тепер сказати і про теорію інфляції. Треба спробувати витягти з неї все, що вона може розповісти про величну будову Всесвіту, його походження та кінцеву долю.
Уривок із книги А. Віленкіна "Many Worlds in One: The Search for Other Universes"
Лише зареєстровані користувачі можуть залишати коментарі. Увійдіть або зареєструйтеся.
Коментарі (0):