Происхождение Вселенной - читать онлайн книгу. Автор: Стивен Баттерсби cтр.№ 19

Для измерения расстояния до удаленных объектов астрономы используют эффект красного смещения (см. также главу 1). Свет от любого объекта, удаляющегося от нас из-за расширения Вселенной, будет смещаться в длинноволновую сторону спектра и спектральные линии будут смещены в красную сторону. Чем дальше от нас объект, тем больше будут смещены линии. Если астрономы видят, что многие объекты находятся на одном красном смещении, они интерпретируют этот факт как существование некоей структуры, например кольца гамма-всплесков или Большой группы квазаров.

Однако другая брана, накладывающаяся на нашу, может исказить измерения красного смещения. Фотоны в одной бране будут влиять на заряженные частицы в другой – это явление Дик назвал «взаимные помехи бран». Это может изменить энергетические уровни внутри атомов, сдвигая спектральные линии света, который они поглощают или излучают. Другими словами, взаимные помехи бран могут создать красное смещение, которое не имеет никакого отношения к истинному расширению Вселенной. Такое положение вещей может привести к появлению видимого скопления объектов на одном красном смещении и отчетливого недостатка объектов на другом красном смещении. Эта иллюзия может привести к заблуждению, что в однородной Вселенной содержатся массивные структуры и огромные пустоты (рис. 5.1).

Конечно, на самом деле все не так просто. Моатаз Эмам, физик из Государственного университета Нью-Йоркского колледжа в Кортленде, предупреждает о том, что некоторые предположения теории Дика уже подвергались критике в прошлом. Но модель вполне проверяема: Эмам предлагает наблюдать части неба, где районы с густой плотностью соседствуют с кажущимися пустотами. Если различие в красных смещениях во всех случаях одинаково, это вполне может означать, что наша брана накладывается на другую.

Рис. 5.1. Альтернативное объяснение мегаструктур

С помощью Слоановского цифрового небесного обзора (Sloan Digital Sky Survey, SDSS), самой детализированной трехмерной карты Вселенной на сегодняшний день, Дик намеревается проанализировать базы данных о красных смещениях, которые могли бы поддержать его теорию. Его попытки «развенчать миф» о существовании крупнейших объектов во Вселенной могут привести к появлению новых «монстров» на их местах. Открытие бран за пределами нашей собственной браны сделает абсурдной концепцию об однородности космоса. И действительно, есть ли смысл так благоговеть перед космологическим принципом в обширной мультивселенной, полной взаимодействующих мембран?

Секреты Большого взрыва прячутся за непроницаемой стеной огня, но существует возможность заглянуть в глубину веков, о чем мы раньше не могли и мечтать. В то время, когда не было не только звезд, галактик, атомов и молекул, но даже протонов и нейтронов, когда все только начиналось, когда созревала детонация взрыва, из которого и возникла наша Вселенная. Все, что нам для этого нужно, – это солнцезащитные очки.

Вы смотрите на звезды? Значит, вы смотрите в прошлое, ведь свету нужно время, чтобы дойти от далекой звезды до нашего взора. Можно было бы подумать, что если заглянуть достаточно далеко в космос, то можно вернуться к моменту рождения Вселенной. Но горячий и непроницаемый бульон из электронов и атомных ядер, существовавший в ранней Вселенной, делает это невозможным. Только спустя 380 000 лет после рождения Вселенная охладилась настолько, чтобы стать прозрачной. Каким бы мощным ни был ваш телескоп, вы не сможете увидеть того, что происходило раньше.

Несмотря на это, физики любят порассуждать о том, какой была первая доля секунды после начала всего и вся, и заглянуть в гипотетическую, почти мифическую эру, известную как инфляция. Теория инфляции была создана, чтобы залатать некоторые проблемы в целом успешной теории Большого взрыва. Согласно общей теории относительности Эйнштейна материя и энергия могут искривлять пространство-время, но на больших масштабах наша Вселенная оказывается плоской. Кроме того, в инфляционной модели нет никаких указаний на то, что далеко отстоящие друг от друга области Вселенной должны выглядеть одинаково. Тем не менее галактики по разные стороны Вселенной группируются в скопления с примерно одинаковыми конфигурациями и численностью. Наконец, в ранней Вселенной должны были быть некоторые маленькие флуктуации плотности, чтобы материя под действием гравитации постепенно собралась воедино. В противном случае сегодня вместо галактик существовало бы однородное пространство, заполненное разреженным газом. Но опять-таки классическая теория Большого взрыва не объясняет, почему возникли эти флуктуации.

Инфляция

Для того чтобы разрешить эти ставящие ученых в тупик проблемы, Алан Гут из Массачусетского технологического института в 1980 году предложил теорию инфляции. Он предположил, что краткий и мощный импульс ускорения возник в пространстве и заставил расширяться его по всем направлениям. То, что мы сейчас называем наблюдаемой Вселенной, началось с точки размером меньше атома и выросло до нескольких сантиметров за долю секунды. Любая первоначальная кривизна разгладилась бы в результате этого расширения и выровнялась бы любая разница в температуре или, скажем, плотности. Крошечные квантовые флуктуации в полях энергии, заполняющих пространство, усилились бы и образовали первые ранние флуктуации плотности (рис. 5.2).

Рис. 5.2. После Большого взрыва

Существует много теорий инфляции. Все они сходятся в том, что некое вездесущее поле энергии раздуло пространство, а затем исчезло, оставив после себя море элементарных частиц; но на вопрос что это было за поле существуют разные точки зрения.

Возникают теории, одна причудливее другой, основанные на самых разных представлениях о том, как ведут себя силы природы на высоких энергиях.

Казалось бы, мы никогда не сможем узнать, что происходило в первый миг, ведь ранняя Вселенная была скрыта за непрозрачной пеленой. Скрыта, но не совсем. От внезапного окончания периода инфляции пространство-время должно было содрогнуться, распространив тем самым гравитационные волны. Эти волны должны были пройти через первозданный огненный шар и оставить на нем свой отпечаток, сжимая и растягивая пространство-время.

Спустя бездну времени мы продолжаем видеть свечение этого огненного шара, растянутого и приглушенного расширением пространства до состояния, известного нам как космический микроволновый фон. Каждый фотон этого микроволнового излучения колеблется в определенном направлении, соответствующем его плоскости поляризации. В общем случае плоскости поляризации фотонов распределяются случайно, но некоторые процессы могут наложить свой отпечаток на крупномасштабную картину поляризации. Гравитационные волны должны формировать отчетливую вихревую структуру.

Чтобы увидеть это, нам нужен микроволновый аналог солнцезащитных очков. Этот прибор должен включать в себя конфигурацию из параллельных проволочек, пропускающих волны с определенной поляризацией и запрещающих проход других. Вращая эту установку и измеряя количество излучения, проходящего через нее, можно определить направление поляризации для излучения, приходящего из каждой точки на небе.