Знание-сила, 2001 № 11 (893) - [15]
Десять лет назад спутник "СОВЕ" исследовал реликтовое излучение Вселенной и составил карту «подлинных» перепадов ее температуры (см. внизу)
Самое интересное в истории Алана Гута состоит в том, что он не был специалистом в космологии, а специализировался в физике элементарных частиц, и в то время был занят поисками решения другого парадокса из своей области, так называемого парадокса магнитных монополей – гипотетических частиц, имеющих только один магнитный полюс. Теория говорила, что такие монополи должны иметь огромную (для частицы) массу и во Вселенной их должно быть не меньше, чем протонов или нейтронов. Не заметить их казалось невозможным, и тем не менее никто их почему-то не обнаруживал.
Размышляя над только что прослушанной лекцией Дикке, Гут вдруг сообразил, что все трудности могут быть устранены одним и тем же способом. Действительно, стоит допустить, что на самой заре жизни Вселенная пережила период быстрого и громадного, как говорят – экспоненциального расширения («инфляции»), и эти трудности исчезнут. За счет такого дополнительного расширения границы Вселенной отодвинутся так далеко, что в наблюдаемой ее части останется крайне мало монополей. С другой стороны, это расширение «растянет» Вселенную, как надувание растягивает воздушный шарик. Поверхность шарика при большом раздувании становится (на небольших участках) практически плоской, и пространство Вселенной после инфляции должно стать (в небольших объемах, например в объеме видимой нами части Вселенной) тоже практически «плоским», причем независимо от начальных условий, не требуя никакой их «тонкой подгонки».
Наконец, если Вселенная за время инфляции чудовищно увеличилась в размерах, значит, то, что мы видим сейчас большим, например видимая часть Вселенной, до инфляции было очень и очень маленьким. Все ее участки вполне могли тогда же обменяться энергией и прийти в тепловое равновесие; поэтому ничего удивительного, что в сегодняшнем остаточном излучении точки, находящиеся даже на противоположных краях небосвода, имеют одинаковую температуру.
Единственную еще не решенную трудность представлял вопрос об образовании галактик, точнее, их зародышей в ранней Вселенной. Чтобы ответить и на этот вопрос, Гут предположил, что в какой-то момент инфляция прекратилась так же резко, как началась. Скорость расширения Вселенной резко упала, и, подобно тому, что происходит при всяком резком торможении, выделилась огромная энергия, которая тотчас, по закону эквивалентности массы и энергии, превратилась в вешество. Но такое превращение энергии в вешество и обратно управляется законами квантовой физики, а среди них есть известное соотношение неопределенностей Гейзенберга, которое, грубо говоря, означает, что возникшая при окончании инфляции энергия не во всех точках постинфляционной Вселенной была одинакова, в ней были микроскопические, как говорят – квантовые, флуктуации плотности! Где она была чуть больше, плотность возникшего вещества тоже оказалась чуть больше, и наоборот. Иными словами, квантовые флуктуации энергии привели к микроскопическим неоднородностям вещества. Это и были зародыши будущих галактик.
Возникает вопрос: почему последующее (постинфляционное) расширение Вселенной не разорвало эти зародыши? Ответ поразительный: темпы этого (уже равномерного, а не экспоненциального, как при инфляции) расширения были слишком малы, чтобы превозмочь стягивающее действие гравитации. Кто-то проделал компьютерное моделирование этого процесса и показал, что гравитация в условиях хотя бы ничтожного превышения плотности над средней начинает очень быстро притягивать к этому уплотнению окружающее вещество, и это ведет к очень быстрому росту зародыша.
Теория инфляции предсказывает кое-что еще относительно зародышей. Когда эти сгусточки возникают, они «расталкивают» окружающее вещество. От этого толчка возникает волна, которая затем бежит по всему объему, ограниченному «горизонтом» волны (уже не световой, а механической, звуковой). Волны, порожденные разными флуктуациями, пронизывают весь объемчик, создавая в нем систему сгущений и разрежений вешества. Вселенная «звучит» – она поет песнь своего творения. Это продолжается миллионы лет. В момент расцепления света и вешества освобожденный свет (будущее остаточное излучение) рассеивается на этих узлах и пучностях. Там, где вещество чуть гуше, свет должен преодолевать большее его притяжение – он теряет энергию и выходит чуть более холодным.
Расчеты показывают, что карта остаточного излучения должна поэтому быть испещрена пятнами более низкой температуры размером в один угловой градус и меньше. Карта Пензиаса и Вильсона их не могла показать, потому что ее разрешение было слишком малым. Приборы спутника СОВЕ были рассчитаны специально на то, чтобы эти пятна найти или не найти (что означало бы крах инфляционной теории). И они их нашли! Именно эти следы галактических «зародышей», выросших за 300 тысяч лет из постинфляционных квантовых флуктуаций, Смут и назвал «моршинами времени». Выходит, картина рождения Вселенной «по Гуту» оказалась правильной? А инфляционная теория Биг Бэнга (в отличие от прежней, «стандартной») – абсолютно верной?
