Модели Мироустройства

[Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы]

http://pavel-sviridov.livejournal.com/325206.html
Как возникла Вселенная и что с ней будет дальше? Часть 2




Но что было до инфляции? И это более сложный вопрос. Правильно будет сказать: до инфляции не было классического времени. Это так называемая Планковская эпоха, или Планковское состояние. У него есть определенная плотность энергии, и там вообще не работает теория Эйнштейна, там нет ни пространства, ни времени в нашем понимании. Там есть некие кванто-механические величины, которые мы пока не умеем описывать, потому что это чудовищно сложная теория; это то, что называется квантовой гравитацией, и это пока что больше заклинание, чем теория. Такой теории попросту еще нет — она не сформулирована. Поэтому на вопрос, что было до инфляции, мы ответа не имеем. У нас есть только соображения, мало чем подкрепленные.
Я назвал имена четырех будущих нобелевских лауреатов. А кто из них что сделал? Первый — Старобинский — написал очень хорошую модель. Он придумал, откуда берется тяжелый вакуум и что с ним дальше происходит. Он получил его естественным образом. Но он не понял, похоже, всех следствий своей модели — насколько она решает все космологические проблемы. Это понял Алан Гут (правда, не для модели Старобинского, а для своей собственной). Его модель, откровенно говоря, была плохой, неправильной, в ней были прямые ошибки. Но он написал настолько хорошую и хорошо аргументированную работу — объяснил, откуда что берется, как тяжелый вакуум решает все проблемы,— что его считают отцом теории инфляции. Даже когда стало понятно, что он ошибся, все равно осталось ощущение, что он самый главный. Андрей Линде выправил сценарий Гута и показал, как на самом деле все работает. А Слава Муханов сделал еще одну очень важную вещь, но о ней чуть позже.
Все ответы были даны. Все поверили, что инфляция и есть тот самый начальный толчок, который сделал все правильно, сбалансированно. Теперь понятно, почему Вселенная всюду одинаковая, однородная. Есть еще одна приятная вещь — здесь нет никакого нарушения сохранения энергии. Энергия рождается из чего-то очень-очень маленького, но это не страшно, потому что суммарная энергия Вселенной — с точки зрения стороннего наблюдателя, если бы такой существовал, — равна нулю. Вселенная дается даром. Теперь следующий вопрос. Хорошо, сработала инфляция, дала нам однородную Вселенную, но мы-то видим, что она неоднородная. Мы-то видим, что есть звезды, есть галактики, а в больших масштабах она похожа на какую-то сетку, где волокна, какие-то пустые места.

Мегапарсеки — сотни миллионов световых лет. Каждая точка здесь — это не галактики даже, а скопления галактик. Если мы видим структуры, если знаем, что они были во Вселенной изначально, значит, мы их должны видеть и в реликтовом излучении. Пензиас и Вилсон его зарегистрировали, и если мы будем очень хорошо его мерить, то должны будем заметить пятнистость излучения. А ее долго не видели. И даже начали изобретать всякие теории, чтобы как-то обойтись без этой пятнистости. В какой-то момент людям стало очень дискомфортно, потому что они не видели пятнистости на уровне десять в минус пятой, глядя в крупнейший в мире радиоантенный телескоп российского происхождения «РАТАН-600». И действительно, я помню это время, эти конференции, и тот же самый Линде говори: «Ребята, мы в тупике». Но в 1992-м все-таки увидели эту пятнистость. Американский спутник COBE и наш «Реликт» что-то увидели, но качество снимков было ужасное. Буквально было непонятно, на что смотрим, — реликт это или артефакты какие-то? Но разглядели! И теория выжила, и все вздохнули с облегчением. А откуда взялось это «десять в минус пятой»? Как раз Слава Муханов это и вычислил.
Все знают, что есть такая наука, как квантовая механика, которая не позволяет ничему находиться в покое. В том числе она не позволяет быть пространству строго однородным. Сейчас флуктуации кривизны пространства ничтожны, потому что кривизна очень маленькая и силы, в ней действующие, тоже маленькие. На стадии инфляции Вселенной все эти квантовые флуктуации давали неоднородности, одни из них растягивались, другие как бы рождались заново. Это был конвейер! Когда Вселенная перешла в горячую стадию, когда вакуум выгорел, эти флуктуации остались и продолжали жить, продолжали расширяться вместе с Вселенной и в конце концов начали расти. И вот они выросли в эту структуру. Все наши галактики, все эти гигантские скопления галактик получились в результате кванто-механических эффектов. Мы привыкли к тому, что квантовая физика — это что-то маленькое, почти микроскопическое. Так вот, эта микроскопическая теория дала гигантские неоднородности размером в сотни мегапарсеков. Да и нас самих бы не было без них. Люди какое-то время не могли в это поверить, но сейчас это уже общее место.
На новом витке Второй космологический революции — в 2002 и в 2009 годах — в космос запустили два очень хороших аппарата. Американский WMAP и европейский «Планк». Оба — микроволновые телескопы, которые очень хорошо измеряют реликтовое излучение. Вот картинка, полученная WMAP, и та же картинка того же участка неба от «Планка». Качество сильно отличается, хотя, забегая вперед, скажу, что все сливки снялWMAP («Планк» добавил мало нового).

Вот карта реликтового излучения: где желтая — там ярче, где синее — там холоднее. Контраст не очень: самое яркое от самого темного отличается всего на одну десятитысячную. Здесь также вычтены все фоны, вычтена так называемая дипольная компонента, которая связана с нашим движением в пространстве. То есть это вычищенная карта, а что мы на ней можем увидеть? Правильный ответ: ничего. Много людей пыталось здесь что-то разглядеть. Например, аномально холодное пятно. Или какие-то пальцы, похожие на листья. Роджер Пенроуз, замечательный ученый, который в старости начал заниматься экзотическими космологическими теориями, видел на картинке концентрические круги. Какие-то люди даже нашли здесь антисмайлик и лик Христа на Туринской плащанице. На самом деле здесь не видно ничего. Некоторые здесь видят что-то, но это так же, как мы и в облаках находим барашков всяких, крокодилов. Человеческий глаз может быстро выхватить что-то узнаваемое из совершенно хаотичной картинки. Более того, есть специальная теорема, подтвержденная измерениями, что на этой картинке в принципе ничего нельзя увидеть, потому что она гауссова. Такой математический термин, который на житейском языке означает, что перед нами нагромождение пятен разного размера, никак не коррелированных друг с другом.
Но что же тогда из этой картинки реально можно узнать? Оказывается, многое. И первым, кто нашел эффект, по которому это стало возможно, был Андрей Дмитриевич Сахаров.

Старинная его работа 1963 года — еще до открытия реликтового излучения — так называемые сахаровские акустические осцилляции. Возьмем график. С ним можно проделать операцию, называемую «разложение Фурье»: надеюсь, многим это словосочетание знакомо, в школе, по-моему, это еще не учат, но на первых курсах института точно проходят. «Разложение Фурье» записи звучащей струны будет выглядеть как бесконечно узкий пик. Если струна плохая — получится бугор. «Разложение Фурье» ноты, взятой певцом, — это более широкий бугор с широкими крыльями. Наша речь — это «разложение Фурье» в виде появляющихся и исчезающих бугров. Оно на этой картинке говорит об очень простой вещи. Мы видим колеблющуюся картинку. И все благодаря Андрею Дмитриевичу, который показал, что в горячей Вселенной начинают ходить звуковые волны (условно звуковые: понятно, что это не человеческий звук — другие частоты, другие длины, другие скорости). Потом звуковые волны вдруг потеряли скорость и вообще замерзли. И вот в тот момент, когда звуковые волны замерзли, — а это 380 тысяч лет от начала Вселенной, ее детство — Вселенная изменила состояние. Была горячей плазмой, а стала нейтральной. У нее резко упало давление, звуковые волны замерзли — только одни волны замерзли в максимуме своей амплитуды, другие в минимуме, и в зависимости от длины волны мы будем знать ее амплитуду. Вернемся к рисунку. Зеленым начерчена теоретическая кривая. В ней есть некоторые произвольные параметры, которые подогнаны под то, чтобы кривая совпадала с красными точками. И этих параметров шесть штук. Это на самом деле необыкновенно мало для такой кривой. Я не являюсь профессиональным космологом и всю жизнь занимался астрофизикой, но когда я впервые глянул на эту картинку, то испытал шок. Как можно все так хорошо описать? Конечно, для космологов, которые этим занимаются давно, ничего шокового тут нет — они к этому подходили постепенно, многие годы. Над теорией горячей Вселенной работали десятки человек, если не сотни. И если им это удается до сих пор, значит, теория и вправду хорошая. Значит, хорошо люди понимают, как расширялась Вселенная, что в ней происходило и как это потом транслировалось в реликтовое излучение, которое мы измеряем.