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

И такой древний вестник был найден: гравитационные волны, возмущения поля тяготения, которые движутся со скоростью света и распространяются по всему космосу. Хотя гравитация может показаться самой мощной силой природы, особенно когда вам нужно передвинуть диван, на самом деле это самая слабая из четырех фундаментальных сил. Но в этой слабости — ее сила. И когда дело доходит до тестирования инфляционной модели, гравитация особенно полезна.

Вскоре после того, как была предложена новая инфляционная теория, космологи пришли к выводу, что инфлатон, будучи квантовым полем, не может скатываться плавно. Он должен подергиваться и напоминать скорее нетвердую походку пьяного, чем ровное, уверенное движение вниз. В 1984 году физики Ларри Эббот и Марк Вайз показали, что хаотическое движение инфлатона в новой модели неизбежно должно было порождать гравитационные волны — события, происходившие не в первые 20 минут, а в первую триллионную триллионной триллионной доли секунды после Большого взрыва {12} .

Как и фотоны, гравитационные волны живут вечно. Но, в отличие от света, они проникают повсюду — нет материи во Вселенной, способной помешать им. Это объясняется тем, что гравитационные волны представляют собой рябь внутри самой ткани пространства-времени, тогда как фотоны движутся по пространству-времени. Они могли сохраниться со времен эпохи инфляции до момента формирования реликтового излучения, когда они могли исказить гравитационное поле, воздействовавшее на фотоны.

Представьте, что вы живете на небольшой планете, практически полностью покрытой водой, как показано на рис. 37. Если на такой планете произойдет взрыв, вы сможете узнать о нем, даже не видя и не слыша его, просто наблюдая волны на поверхности океана, и даже определить его мощность. Гравитационные волны играют для космологов такую же роль, неся информацию о сгенерировавшей их инфляции. Единственное, вам нужно дождаться, когда эти волны дойдут до вашего поля зрения. В нашем случае порожденные инфляцией гравитационные волны должны были прокатиться по первичной плазме и вызвать ее специфические деформации, которые неизбежно должны отразиться на ее свечении, которое сегодня мы видим в форме реликтового излучения. Другими словами, наблюдаемый космический микроволновой фон должен содержать специфические структуры, которые несут информацию о мощи инфляционного «взрыва», произошедшего задолго до формирования самого реликтового излучения. Если эти структуры будут обнаружены экспериментальным путем, это станет весомым доказательством в пользу инфляционной модели; если же нет, может оказаться охотой за призраками.

Всего через три года после открытия микроволнового фона астрофизик из Кембриджского университета Мартин Рис предсказал, что реликтовое излучение может быть поляризовано, если свечение первичной плазмы содержало незначительные отклонения от идеальной однородности {13} . Как мы видели в 6-й главе, поскольку свет, окружавший электроны в плазме в момент последнего рассеяния, не был абсолютно изотропным — идеально однородным, рассеянный свет мог стать поляризованным, даже если изначально он был неполяризован. Именно это и обнаружилось в ходе эксперимента DASI.

Необходимое количество анизотропии могло образоваться самыми разными путями, но гравитационные волны, вызванные инфляцией, особенно интересны. Двигаясь со скоростью света, гравитационные волны сжимают пространство-время в одном направлении и растягивают в перпендикулярном. Соответственно, первичные гравитационные волны могли сжать и растянуть первичную плазму таким образом, что вдоль оси сжатия фотоны стали немного горячее (и сместились в синюю сторону спектра), а перпендикулярно этой оси, наоборот, немного холоднее (и сместились в красную сторону), как показано на рис. 38.

В 1985 году российский астрофизик Александр Полнарев, который позже стал моим наставником, пришел к выводу, что чередующееся асимметричное сжатие и растяжение пространства-времени, вызванное гравитационными волнами, неизбежно должно индуцировать закручивающуюся, «вихревую» структуру в ориентации поляризации древнего света. Полнарев предположил, что эту вихревую поляризацию в принципе можно обнаружить экспериментальным путем. По сути, такая уникальная структура поляризации (рис. 39) должна быть признаком инфляции, поскольку она может существовать только в одном случае: если космологические гравитационные волны взаимодействовали с первичной плазмой в момент излучения фотонов микроволнового фона. Впоследствии эта вихревая структура была названа В-модой поляризации {14} .

Если первичных гравитационных волн достаточно, B-моды поляризации должны обнаруживать себя в виде реликтового излучения — конечно, если мы могли бы их увидеть (рис. 40). И это стало бы неопровержимым свидетельством инфляции.

Теоретически история инфляции прояснилась. Получился настоящий детектив, где главный подозреваемый — инфлатон; его тайное убежище и поведение в первые доли секунды от начала времен были раскрыты (рис. 41). Оставалось лишь найти «дымящийся пистолет» — гравитационные волны, которые обеспечили бы неопровержимые улики. А дымком из пистолета стали знаменитые завихрения B-мод.

Именно это я отчаянно желал увидеть с помощью телескопа, который проектировал, будучи постдоком. Я надеялся, что BICEP станет очками для чтения величайшей из когда-либо рассказанных историй.

Казалось, между экспериментальной космологией и инфляционной моделью существует некий сговор: все полученные наблюдательные данные свидетельствовали в пользу этой теории. Открытый Пензиасом и Уилсоном космический микроволновый фон предполагал, что Вселенная пережила расширение и охлаждение, — инфляция объясняла причину. COBE обнаружил крошечные флуктуации в безликом, казалось бы, реликтовом излучении — это было предсказано инфляционной моделью. Эксперимент BOOMERanG убедительно показал, что наша Вселенная — абсолютно плоская, и это тоже вписывалось в картину инфляции. Реликтовое излучение уподобилось игровому автомату в Стокгольме, щедро раздающему золотые призы.