Лоуренс Краусс - Всё из ничего [litres]

Затем аэростат облетел вокруг света, что в Антарктике проделать несложно. На самом Южном полюсе для этого достаточно было бы обернуться вокруг своей оси, а на широте станции Мак-Мёрдо тур вокруг континента при попутном полярном ветре занял около двух недель, после чего аппарат вернулся в исходную точку – потому-то его и назвали «бумеранг».

Цель этого путешествия была проста. Если мы хотим пронаблюдать реликтовое излучение при температуре в 3º K, не загрязненное тепловым излучением от куда более теплого вещества Земли (даже в Антарктиде температура все равно на 200º K выше температуры реликтового излучения), придется как можно выше подняться над поверхностью Земли, оставив позади большую часть атмосферы. В идеале для этого применяют спутники, но высотные аэростаты справляются с задачей почти так же хорошо, а обходятся несравнимо дешевле.

Итак, через две недели BOOMERanG предоставил изображение небольшого участка «реликтового неба», где были видны горячие и холодные пятна рисунка излучения, приходящего от поверхности последнего рассеяния. Внизу приведен коллаж из изображения участка неба, который наблюдался в ходе эксперимента BOOMERanG (горячие и холодные области выглядят соответственно как темные и светлые пятна), и фотографии самой экспериментальной установки.

Из этого изображения можно сделать два вывода. Во-первых, оно наглядно показывает, каков был реальный физический масштаб горячих и холодных пятен в небе, которые увидел BOOMERanG, причем передний план дается для сравнения. Но еще оно иллюстрирует другое важное обстоятельство – то, что можно назвать нашей космической близорукостью. Если в солнечный день взглянуть в небо, увидишь ясное голубое небо, как на первой фотографии с аэростатом. Но это только потому, что в результате эволюции мы различаем только видимый свет. Несомненно, мы пошли именно таким эволюционным путем потому, что излучение поверхности нашего Солнца имеет максимум именно в видимом диапазоне, а еще потому, что излучение во многих других диапазонах поглощается нашей атмосферой и попросту не доходит до земной поверхности (к счастью для нас, поскольку подобное излучение по большей части смертоносно). Так или иначе если бы в результате эволюции мы видели микроволновое излучение, то вид неба и днем и ночью – если не смотреть прямо на Солнце – непосредственно являл бы поверхность последнего рассеяния, от которой до нас более 13 млрд световых лет. Именно это изображение и показал нам детектор установки BOOMERanG.

Первый полет аэростата BOOMERanG, в результате которого была получена эта картинка, оказался на удивление удачным. Однако природа Антарктики негостеприимна и непредсказуема. В другом запуске в 2003 г. все экспериментальное оборудование едва не было утрачено: сначала аэростат оказался неисправен, потом разыгралась буря. Положение спасло лишь решение, принятое в последний момент: отделить аппаратуру от аэростата, который тут же унесло в неизвестном направлении. Спасательная партия разыскала установку в антарктической пустыне и забрала герметичный контейнер с научными данными.

Прежде чем приступить к интерпретации изображения с зонда BOOMERanG, еще раз подчеркну, что реальные физические размеры горячих и холодных пятен, наблюдаемых в этом эксперименте, однозначно определяются простыми расчетами свойств поверхности последнего рассеяния, а измеренные размеры горячих и холодных пятен определяются геометрией Вселенной. Объяснить эксперимент поможет простая двумерная аналогия: в двух измерениях замкнутая геометрия напоминает поверхность сферы, а открытая геометрия – поверхность седла. Если мы начертим на таких поверхностях треугольник, то пронаблюдаем тот самый эффект, который я описал выше: на сфере прямые сойдутся, на седле – разойдутся, а на плоскости, само собой, останутся прямыми.

А теперь вопрос на миллион долларов: какой же размер в действительности имеют холодные и горячие пятна на изображении с зонда BOOMERanG? Чтобы дать ответ на этот вопрос, рабочая группа эксперимента подготовила на компьютере несколько модельных изображений холодных и горячих пятен, какими они должны были выглядеть в случае замкнутой, плоской и открытой Вселенной, и сравнила их с реальным изображением микроволнового неба (цвета на приведенных здесь изображениях показывают интенсивность реликтового излучения).

Рассмотрим изображение внизу слева. Это модель замкнутой Вселенной: видно, что в среднем пятна больше, чем в реальной Вселенной. Справа пятна в среднем меньше. А вот картинка посередине, соответствующая плоской Вселенной, прямо как кроватка Мишутки из сказки про трех медведей, как раз впору. Похоже, это наблюдение доказывает, что верна самая математически красивая модель Вселенной, на которую и рассчитывали теоретики, хотя она явно противоречит оценке, сделанной на основании массы галактических скоплений.

В сущности, модель плоской Вселенной и изображение, полученное зондом BOOMERanG, совпадают так точно, что становится прямо неловко. Изучив пятна и выявив самые крупные, у которых хватило времени в значительной мере сколлапсировать к тому моменту, который соответствует поверхности последнего рассеяния, рабочая группа эксперимента BOOMERanG построила следующий график.

Точки – это данные. Сплошная линия дает предсказание для плоской Вселенной – и пик приходится примерно на 1°!

Уже после того, как рабочая группа эксперимента BOOMERanG опубликовала свои результаты, NASA запустило спутник с гораздо более чувствительным детектором для изучения реликтового излучения под названием WMAP [16] WMAP – Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, «Зонд микроволновой анизотропии имени Уилкинсона». – Прим. ред. . Этот зонд был назван в честь покойного физика из Принстона Дэвида Уилкинсона, который наверняка открыл бы реликтовое излучение, если бы его не опередили ученые из Bell Laboratories. WMAP запустили в июне 2001 г. на расстояние в 1,5 млн км от Земли в направлении от Солнца, откуда можно наблюдать микроволновое небо, не искаженное солнечным излучением. За семь лет зонд с беспрецедентной точностью заснял реликтовое излучение всей небесной сферы, а не просто отдельного участка, как BOOMERanG (поскольку последнему приходилось мириться с присутствием Земли, которая закрывала от него большую часть неба).