Лоуренс Краусс - Почему мы существуем? Величайшая из когда-либо рассказанных историй

После завершения стадии инфляции энергия, запасенная в состоянии ложного вакуума по всему объему пространства, высвобождается, порождая частицы и заново нагревая Вселенную до высокой температуры; при этом складываются естественные и реалистичные начальные условия для последующего стандартного расширения горячего Большого взрыва.

И это еще не все. Через год после того, как Гут предложил свою идею, сразу несколько групп провели расчеты, пытаясь понять, что происходило с частицами и полями в процессе стремительного инфляционного расширения Вселенной. Они обнаружили, что небольшие неоднородности, возникшие вследствие квантовых эффектов в начальные моменты времени, были затем «заморожены» в период инфляции. После окончания инфляции эти небольшие неоднородности могли вырасти и породить галактики, звезды, планеты и т. п.; кроме того, они оставили бы свой отпечаток на космическом микроволновом фоне, очень напоминающий тот рисунок, который впоследствии был обнаружен. Однако при использовании разных инфляционных моделей можно также получить другие предсказания для анизотропии реликтового излучения (в данный момент инфляция скорее модель, чем полноценная теория, и, поскольку эксперимент не определил пока никакого единственного перехода по теории Великого объединения, верными могут оказаться самые разные варианты).

Есть еще одно волнующее и более однозначное предсказание, связанное с инфляцией. В период быстрого расширения в пространстве должна была возникнуть рябь, получившая название гравитационных волн. Эта рябь должна была породить еще одну характерную сигнатуру в космическом микроволновом фоне, которую можно обнаружить. В 2014 г. эксперимент BICEP объявил об обнаружении сигнала, идентичного предсказанному, что вызвало невероятное возбуждение как в теоретическом, так и в наблюдательном сообществе. Мы с Фрэнком Вильчеком написали статью, в которой не только отмечали, что такое наблюдение должно указывать на масштаб нарушения симметрии, соответствующий масштабу нарушения симметрии в теории Великого объединения с суперсимметрией, но и что оно должно однозначно продемонстрировать, что гравитация на малых масштабах должна описываться квантовой теорией, так что поиск квантовой теории гравитации дело не бесполезное.

Однако, к сожалению, заявление BICEP оказалось преждевременным. Аналогичный сигнал могли дать другие фоновые явления в нашей Галактике, и на момент написания книги ситуация по-прежнему представляется мутной; однозначного подтверждения ни инфляции, ни квантовой гравитации пока нет.

Совсем недавно, между завершением первого черновика этой книги и ее окончательным вариантом, было сделано первое достоверное открытие гравитационных волн; сделал его удивительный комплект детекторов, известный как LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) и расположенный в Хэнфорде (штат Вашингтон) и Ливингстоне (штат Луизиана). LIGO – впечатляющая масштабная установка. Чтобы обнаружить гравитационные волны, порожденные слиянием черных дыр в далеких галактиках, экспериментаторам нужно зафиксировать колеблющуюся разницу в длине двух перпендикулярных плеч детектора длиной по четыре километра каждое, равную одной тысячной доле размера протона. Это все равно что измерить расстояние от Земли до ближайшей к нашему Солнцу звезды, альфы Центавра, с точностью до толщины человеческого волоса!

Как ни поразительно открытие инструментом LIGO гравитационных волн [14] По состоянию на сентябрь 2017 г. LIGO зарегистрировал гравитационные волны от четырех слияний черных дыр звездных масс, причем событие 14 августа 2017 г. впервые наблюдалось одновременно на LIGO и аналогичной европейской установке Virgo. Кроме того, 17 августа 2017 г. LIGO и Virgo впервые зарегистрировали гравитационные волны от слияния двух нейтронных звезд, причем орбитальными и наземными телескопами были зафиксированы гамма-всплеск и послесвечение в оптическом диапазоне. В октябре 2017 г. Нобелевскую премию по физике за экспериментальную регистрацию гравитационных волн получили Райнер Вайсс, Барри Бэриш и Кип Торн. – Прим. ред. , сами волны, которые удалось зарегистрировать, представляют собой результат далекого астрофизического столкновения, а не первых мгновений Большого взрыва. Однако успех LIGO даст старт строительству новых детекторов, так что гравитационная астрономия станет, скорее всего, астрономией XXI века.

Если продолжатели дела LIGO и BICEP в этом или следующем столетии смогут непосредственно измерить сигнатуру инфляционных гравитационных волн, это откроет перед учеными окно прямо в физику Вселенной в тот момент, когда ее возраст составлял менее одной миллиардной миллиардной миллиардной миллиардной доли секунды. Это позволит нам непосредственно проверить и свои представления об инфляции, и даже Великое объединение, а может быть, даже прольет свет на возможное существование иных вселенных, разом превратив то, что сегодня является метафизикой, в физику.

Пока же инфляция – это всего лишь мотивированное предположение, судя по всему, естественным образом разрешающее большинство основных загадок космологии. И хотя инфляция остается единственным кандидатом на фундаментальное теоретическое объяснение главных наблюдательных особенностей нашей Вселенной, она полагается на существование нового, введенного ситуативно скалярного поля, придуманного исключительно для того, чтобы породить инфляцию, и точно настроенного на то, чтобы запустить ее, когда ранняя Вселенная только начала остывать после Большого взрыва.

До открытия бозона Хиггса это рассуждение можно было считать в лучшем случае правдоподобным. Притом что нам не было известно ни одного примера какого-либо фундаментального скалярного поля, предположение о том, что нарушение симметрии Великого объединения возникает в результате действия еще одного простого хиггсоподобного механизма, было экстраполяцией, опиравшейся на ненадежное основание. Как я уже отмечал, нарушение электрослабой симметрии стало очевидным с открытием W- и Z-частиц. Однако простое хиггсовское поле вполне могло оказаться сказочным заменителем какого-то гораздо более сложного и, возможно, гораздо более интересного фундаментального механизма.

Теперь ситуация изменилась. Бозон Хиггса существует, а с ним существует, очевидно, и фоновое скалярное поле, пронизывающее на сегодняшний день все пространство Вселенной, придающее массу частицам и порождающее такие характеристики Вселенной, при которых возможно наше существование. Если и правда существует теория Великого объединения, собирающая все три взаимодействия в одно где-то у начала времен, то примерно тогда же должно было произойти какое-то нарушение симметрии, в результате которого три известных негравитационных взаимодействия начали расходиться в свойствах. Бозон Хиггса демонстрирует, что нарушение симметрии в законах природы может возникать в результате присутствия в пространстве конденсата скалярного поля. Таким образом инфляция в том или ином варианте становится намного более естественной и потенциально шаблонной возможностью. Как в шутку сказал однажды мой коллега Майкл Тёрнер, перефразируя главу Федеральной резервной системы Алана Гринспена, «периоды инфляции неизбежны!».