Брайан Китинг - Гонка за Нобелем. История о космологии, амбициях и высшей научной награде

Раньше я считал Джеффа своего рода астрономическим донкихотом, который продолжал сражаться с межзвездными мельницами вопреки здравому смыслу. На самом же деле он был настоящим бойцом, который никогда не сдавался. У лесорубов есть присказка, что размер дерева можно увидеть лишь после того, как оно упало. К сожалению, то же самое нередко можно сказать об ученых и их теориях.

Пыль не могла спасти модель квазистационарной Вселенной. Несколько лет спустя, в 50-ю годовщину открытия реликтового излучения, пыль снова сыграла с космологами злую шутку. Всегда готовая к маскараду и обману, пыль по-прежнему любит заманивать недостаточно добросовестных космологов в ловушку заблуждений. В астрономии побеждают педанты и параноики.

Как ни мучительно космологам было это признавать, наиболее правдоподобная теория космогенеза оказалась, по сути, библейской историей о сотворении мира. Первая попытка связать цифры с историей была предпринята в середине 1600-х годов, когда ирландский архиепископ Джеймс Ашшер вычислил, что Бог сотворил мир субботней ночью 22 октября 4004 года до н. э. Вероятно, Ашшер переоценил данные, которыми располагал: первые две главы Библии.

Сегодня астрономы, вооруженные продвинутыми версиями зрительной трубы Галилея, такими как телескоп BICEP2, подобно Ашшеру, пытаются определить, когда и как все началось. Это неудивительно: вопрос собственного происхождения всегда волновал человечество.

Модель Большого взрыва вышла победителем из противостояния с конкурирующими концепциями, но и сама страдала большими изъянами. Она так и не ответила на ряд ключевых вопросов, и прежде всего: что взорвалось? Что привело к возникновению состояния сингулярности с бесконечной температурой и плотностью? Казалось, модель полностью нарушает известный каждому школьнику третий закон Ньютона, гласящий, что каждое действие вызывает равное по силе ответное действие/реакцию. Большой взрыв, казалось, был одной сплошной реакцией, которой не предшествовало никакого равного по силе действия. Короче говоря, все это слишком напоминало первую главу Книги Бытия.

По мере того как телескопы и детекторы становились более чувствительными, астрономы стали узнавать о космосе все более тонкие детали. И при более внимательном рассмотрении модель Большого взрыва начинала трещать по швам. Какое-то время казалось, что она тоже обречена.

Проблема однородности. Несмотря на то что космический микроволновый фон, казалось, был убедительным доказательством существования огненного шара ранней Вселенной, астрономов продолжали мучить сомнения: это было слишком хорошо, чтобы быть правдой. Модель Большого взрыва предполагала, что источником реликтового излучения была плазма — газ из электронов и протонов, слишком горячий для того, чтобы конденсироваться в водород, наполнявший Вселенную в первые 380 000 лет ее существования. Для плазмы характерна непрозрачность — сквозь нее не проходит свет, и она очень однородна. Пензиас и Уилсон обнаружили, что то же самое относится и к реликтовому излучению: «Эта остаточная температура [т. е. температура реликта] в пределах наших наблюдений изотропна, не поляризована и не зависит от времени года» {1} . Ранняя Вселенная была воплощением гомогенности, хотя и удивительно скучной. На протяжении более чем трех десятилетий не обнаружилось чего-то, способного навести на другие предположения.

Но что в этом плохого? В конце концов, модель Большого взрыва предполагала, что реликтовое излучение родилось из плазмы, а плазма повсюду одинакова. Разве однородность реликтового излучения не была еще одним доказательством в пользу этой теории? Не совсем. Идеальная однородность реликта создавала проблему: если Вселенная действительно была идеально однородной, почему тогда возникли звезды, галактики и планеты? Если первичная плазма была океаном единообразия, где ни одно место не отличалось от всех остальных, она должна была навечно остаться в таком состоянии. Ничто не могло вызвать процесс конденсации водорода в звезды где-либо во Вселенной. Что-то должно было нарушить идеальную монотонность ранней Вселенной, иначе нас бы сейчас не было.

Не найдя в своих первоначальных данных никаких следов анизотропии — отклонений от абсолютной изотропии — Пензиас и Уилсон не стали копать дальше, решив, что одного знаменательного открытия с них довольно. Прошло еще 27 лет, прежде чем команда COBE (Cosmic Background Explorer) в 1992 году объявила о том, что научная аппаратура на борту спутника наконец-то зарегистрировала анизотропию реликтового излучения. По словам Джорджа Смута, это было все равно что «увидеть лицо Бога» {2} . Отклонения от безупречной гомогенности были чрезвычайно малы: температура реликта изменялась всего на 30 миллионных кельвина по всему небу, т. е. уровень отклонений в 100 000 раз меньше по сравнению с температурой микроволнового фона в 2,7 кельвина (рис. 29).

Как почти каждое новое открытие, результаты COBE вызвали еще больше вопросов. И прежде всего, что создало эти флуктуации?

На самом деле космологи Райнер Сакс и Артур Вулф ответили на этот вопрос еще в 1967 году, всего через два года после открытия реликта. Когда свет проходит вблизи массивного тела, гравитационное поле притягивает его и вызывает смещение в сторону красной части спектра, увеличивая длину волн. Чем больше длина волны фотона — чем краснее свет, тем меньше у него энергии. Сакс и Вулф предположили, что в ранней Вселенной существовали области с большей массой — области с более высокой плотностью, которые оказывали более сильное гравитационное влияние на фотоны реликтового излучения, чем области с низкой плотностью. Этот эффект получил название гравитационного красного смещения. Таким образом, немного более прохладные участки карты микроволнового фона, увиденные COBE в 1992 году, соответствовали тем участкам в первичной плазме, где плотность материи и, следовательно, гравитация были чуть выше среднего, — то была своего рода рябь на ткани пространства-времени. Но эта рябь заставила космологов призадуматься.

Хотя Сакс и Вулф показали, каким образом неоднородные по плотности участки ранней Вселенной могли вызвать колебания температуры реликтового излучения, они не объяснили, как эти флуктуации возникли, не говоря уже о том, почему эти колебания были очень небольшими, но отличными от нуля. Этот незначительный, но ненулевой уровень требуемых отклонений стал известен как проблема однородности модели Большого взрыва.