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

Из наблюдений BOOMERanG следовало, что наша Вселенная, по сути, всегда была идеально плоской. Это говорило о кризисе модели Большого взрыва. Согласно Леметру, Большой взрыв начался с «первичного атома», и теперь сделанные группой Ланге измерения пространственной кривизны Вселенной показали, что радиус кривизны этого «первичного атома» бесконечно близок к нулю. В очередной раз ученые столкнулись с тем, что наша Вселенная родилась с уникально тонкими настройками: абсолютно плоской в большом масштабе и почти абсолютно гладкой на малых масштабах. Космологи ненавидят такие счастливые случайности. Это необъяснимое плоское состояние стало известно как проблема плоскостности , которая стала третьей по счету неразрешимой проблемой теории Большого взрыва.

Как Вселенная могла разгладиться до столь плоского состояния и в больших, и в малых масштабах? Представлялось, будто Вселенная вырвалась из первичной сингулярности, а потом настолько сильно расширилась, что все первичные неровности расправились. Хотя однородность и кривизна Вселенной были измерены только в 1992 и 2000 годах соответственно, космологи за несколько десятилетий до этого предвидели, что такие доказательства в конце концов будут получены.

В 1978 году, когда Нобелевская премия впервые была присуждена за открытие в области космологии известным нам Пензиасу и Уилсону, молодой постдок Алан Гут набирался знаний и опыта в Корнеллском университете. Однажды в Корнелл прибыл Боб Дикке, физик из Принстона, благодаря которому удалось объяснить микроволновый фон (а он добровольно отказался от права претендовать на нобелевское золото), чтобы прочитать лекцию о проблемах горизонта и плоскостности в теории Большого взрыва.

Гут был озадачен услышанным. «Из лекции Дикке можно было сделать вывод, что традиционная теория Большого взрыва упускает что-то действительно важное», — впоследствии сказал он {5} . Дикке и его коллега Джим Пиблс утверждали, что, исходя из антропного принципа, Вселенная должна быть почти плоской и однородной. Антропный принцип выражает довольно простую идею: Вселенная не может слишком отличаться от того, что мы наблюдаем, учитывая, что здесь мы за ней и наблюдаем. Если бы Вселенная была слишком неоднородной, вся материя под воздействием гравитации коллапсировала бы до тех пор, пока не осталось бы ничего, кроме нескольких черных дыр; в такой Вселенной просто некому было бы беспокоиться о недостатке однородности {6} . И наоборот, если бы Вселенная была слишком однородной, в ней не cмогли бы сформироваться звезды и планеты. В этом случае также некому было бы мучиться вопросом, почему Вселенная настолько однородна. Но антропные аргументы все равно что вегетарианская пища для любителя барбекю по-техасски: вы вроде едите, но не наедаетесь. Алан Гут жаждал большего.

Вскоре после лекции Дикке Гут перешел из Корнеллского университета в Национальную лабораторию SLAC (Stanford’s Linear Accelerator Center). Постоянной должности ему не предложили, но Гуту нужно было содержать семью, поэтому теперь предстояло зарекомендовать себя на научном поприще, чтобы получить преподавательское место. Недостатки теории Большого взрыва не выглядели как источник несказанных богатств. Однако в интеллектуальном отношении это оказалось именно так.

Гут не переставал размышлять о лекции Дикке. Однажды ночью в декабре 1979 года он сделал в записной книжке загадочную запись. Подобно Хабблу, который, обнаружив драгоценную цефеиду в туманности Андромеды, в волнении нацарапал на фотопластинке жирными буквами «VAR!», Гут был так потрясен озарившей его идеей, что написал поперек страницы заглавными буквами: «ЗАХВАТЫВАЮЩАЯ МЫСЛЬ!» Годы спустя космологи приравняли идею Гута по значимости к самой теории Большого взрыва {7} .

Прошло два года. Гут превратился из постдока в профессора Массачусетского технологического института, прежде чем разработал детально свою теорию. В эпохальной статье «Инфляционная Вселенная: возможное решение проблем горизонта и плоскостности» Гут засеял семенами совершенно новое поле космологии {8} . Но взойдут ли эти семена?

Реальность превзошла самые смелые его ожидания.

В начале 1980-х годов семена Гута пали на благодатную почву. Это была замечательная эпоха в физике, когда теории конденсированных сред — теории газов, жидкостей и твердых тел — соединялись с теориями физики высоких энергий, описывающими частицы, силы и поля.

Захватывающая мысль Гута состояла в соединении двух, казалось бы, не связанных между собой областей физики: физики конденсированного состояния и физики элементарных частиц. Он утверждал, что в самой ранней Вселенной существовал необычный феномен — поле . При определенных свойствах этого поля Вселенная могла за доли секунды расшириться от микроскопического до мегаскопического масштаба, став при этом плоской, а потом породить крошечные флуктуации, чтобы в один прекрасный день навести Алана Гута на мысль об инфляционной Вселенной. Но чтобы понять, что такое инфляция, сначала нам нужно выяснить, что такое поле.

Поле — это математический инструмент, описывающий, как физическая величина, скажем температура, меняется в разных точках пространства. Например, температура воздуха в помещении — это поле: набор чисел, которые меняются в зависимости от положения — немного ниже у окна и выше рядом с обогревателем. Такие поля, которые представляют собой простой набор чисел, соответствующих конкретным точкам в пространстве, называются скалярными полями.

Гут математически показал [21], что если в ранней Вселенной сразу после ее рождения присутствовало особое скалярное поле с определенными свойствами, то потом могли произойти поистине фантастические вещи. Он окрестил это первичное скалярное поле инфлатонным полем, или просто инфлатоном. Откуда взялось это инфлатонное поле, Гут так и не смог объяснить. Но, по его словам, это было не так важно.

Если инфлатонное поле существовало с самого начала, пока Вселенная расширялась и охлаждалась, в нем тоже должны были происходить заметные изменения. Представим себе цилиндр, наполненный газом, который можно сделать сжатым или разреженным с помощью поршня, как показано на рис. 33. Если бы вы внезапно увеличили объем цилиндра, то плотность и температура газа соответственно уменьшились бы. Точно так же, если выдвинуть поршень достаточно быстро и сильно, температура газа снизится настолько, что газ конденсируется в жидкость, т. е., как говорят физики, претерпит фазовый переход.