Лиза Рэндалл - Достучаться до небес: Научный взгляд на устройство Вселенной

Наблюдение микроволнового фонового излучения продолжает оставаться важнейшим фактором наших представлений об эволюции Вселенной. Его роль как настоящего окна в прошлое невозможно переоценить. Не так давно исследования реликтового излучения вместе с более традиционными методами исследований представили ученым экспериментальные свидетельства новых загадочных явлений — инфляционной модели Вселенной (космической инфляции), а также скрытой массы и темной энергии, о которых мы поговорим в следующей главе.

Когда я работала в Массачусетском технологическом институте, наша кафедра испытывала трудности: офисных помещений на третьем этаже, где работали специалисты по физике элементарных частиц, перестало хватать. Поэтому я переехала в свободный кабинет рядом с кабинетом Алана Гута, этажом ниже, где тогда размещались теоретики — астрономы и космологи. Сам Алан начинал как специалист по физике элементарных частиц, но сегодня он известен как один из лучших космологов нашего времени. Я к моменту переезда успела уже познакомиться с некоторыми связями между физикой элементарных частиц и космологией. Но проводить такие исследования намного проще, если сосед разделяет твои интересы и столь же рассеян — так, что в его кабинете ты чувствуешь себя как дома.

Многие специалисты по физике элементарных частиц освоили другие, самые разные области научных исследований. Уолли Гилберт, один из основателей биотехнологической компании Biogen, начинал в физике элементарных частиц, но оставил эту область ради исследований в биологии и химии, достойных Нобелевской премии. Его примеру последовали многие. С другой стороны, многие из тех, кто учился вместе со мной, оставили науку и стали «квантами» Уолл–стрит, где можно играть на будущих измерениях на рынке. Они выбрали прекрасное время для такого перехода, поскольку тогда как раз разрабатывались финансовые инструменты хеджирования подобных рисков. Если в биологии пригодились способы организации мышления и решения задач, то в мире финансов небесполезными оказались некоторые методы и уравнения.

Но физика элементарных частиц и космология, разумеется, пересекаются гораздо глубже, чем любые другие науки. Подробное исследование Вселенной на различных масштабах вскрыло множество неразрывных связей между элементарными частицами на самых маленьких масштабах и самой Вселенной на самом большом. В конце концов, Вселенная по определению уникальна и охватывает все сущее. Специалисты по физике элементарных частиц смотрят вглубь и задаются вопросом о том, какой тип фундаментальной материи лежит в основе всякой материи, а космологи смотрят в небо и пытаются понять, как возникло и развивалось все то, что там есть. Загадки Вселенной — то самое, из чего она в основном и состоит — одинаково интересуют и космологов, и специалистов по физике элементарных частиц.

В той и другой области исследований изучаются базовые структуры и используются фундаментальные физические законы. Ученым необходимо принимать во внимание результаты друг друга. Состав Вселенной, изучаемый в физике элементарных частиц, является важным предметом исследования и для космологов. Более того, законы природы, включающие в себя и общую теорию относительности, и физику элементарных частиц, описывают эволюцию Вселенной, как, собственно, и должно быть, если обе теории верны и применимы к одному и тому же космосу. В то же время известные черты эволюции Вселенной накладывают определенные ограничения на свойства, которые может иметь материя, не вступая при этом в противоречие с данными наблюдений. В определенном смысле Вселенную можно назвать первым и самым мощным в истории ускорителем частиц. Энергии и температуры на ранних стадиях ее эволюции были чрезвычайно высоки, и те высокие энергии, которые мы сегодня стремимся получить в ускорителях, призваны воспроизвести именно эти условия, но в земных лабораториях.

Возросшее в последнее время внимание к этому пересечению интересов уже вызвало к жизни множество плодотворных исследований и серьезных открытий; можно надеяться, что процесс конвергенции будет продолжаться. В этой главе рассматриваются некоторые крупные вопросы космологии, которые сейчас исследуют и сами космологи, и специалисты по физике элементарных частиц. Мы рассмотрим такие явления, как космическая инфляция, скрытая масса (темная материя) и темная энергия.

Мы не можем пока сказать, что происходило в самом начале эволюции Вселенной, потому что у нас нет непротиворечивой теории, которая включала бы в себя и квантовую механику, и гравитацию. Тем не менее мы можем утверждать с определенной долей уверенности, что в некоторый момент в самом начале (возможно, всего лишь через 10~ 39сек после рождения Вселенной) произошло явление, известное как космическая инфляция.

В 1980 г. Алан Гут первым предложил эту модель, согласно которой в самом начале развития Вселенная взорвалась. Интересно, что первоначально он пытался решить для физики элементарных частиц проблему, связанную с космологическими последствиями теорий Великого объединения [57] Ранее модель (почти) экспоненциально расширяющейся Вселенной была предложена в работах А. Старобинского для решения проблемы начальной сингулярности в теории горячего Большого взрыва. — Прим. науч. консульт. . Он в то время занимался частицами, поэтому использовал методы, основанные на теории поля—теории, которая совмещает в себе специальную теорию относительности и квантовую механику. Однако дело кончилось тем, что он выдвинул совершенно новую теорию, которая резко изменила наш подход к космологии. Как и когда произошла инфляция, ученые спорят до сих пор. Но Вселенная, претерпевшая такое взрывное расширение, должна была оставить тому четкие свидетельства, и значительная часть этих свидетельств уже обнаружена.

В стандартном сценарии Большого взрыва Вселенная после рождения росла спокойно и равномерно: к примеру, с увеличением времени жизни вчетверо она должна была удвоиться в размерах. Но в инфляционную эпоху молодая Вселенная пережила период невероятно стремительного расширения и росла экспоненциально. Это значит, что за фиксированное время размер Вселенной удвоился, затем снова удвоился за то же время — и так не менее 90 раз подряд, пока инфляционная эпоха не закончилась и Вселенная не стала такой однородной, какой мы видим ее сегодня. Такое экспоненциальное расширение означает, к примеру, что за то время, пока возраст Вселенной увеличился в 60 раз, ее размеры выросли более чем в триллион триллионов триллионов (10 36) раз; без инфляции же они выросли бы за то же самое время всего лишь в восемь раз. В определенном смысле инфляция стала началом развития от малого к большому. Первоначальное громадное инфляционное расширение должно было «развести» субстанцию из вещества и излучения Вселенной до практически нулевой концентрации. Поэтому все, что мы сегодня наблюдаем во Вселенной, должно было возникнуть сразу после инфляции, когда энергия, питавшая инфляционный взрыв, превратилась в вещество и излучение. Лишь в этот момент времени начался Большой взрыв в его традиционном понимании — и Вселенная начала дальнейшее неспешное расширение в ту громадную структуру, которую мы видим сегодня.