3 Вопроса: Алан Гас о новых взглядах на природу «Большого взрыва»

Стив Брадт, ЭМ-АЙ-ТИ Ньюс Офис, 19 марта 2014

Физик из ЭМ-АЙ-ТИ объясняет, как новые результаты исследований подтверждают его теорию космической инфляции, созданную ещё в 1980 году.

В начале этой недели учёные объявили, что обнаруженное ими с помощью телескопа слабое «эхо» так называемого «Большого взрыва», как оказалось, несёт свидетельство чрезвычайно быстрого расширения вселенной от простой точки до содержащей более, чем 10⁹⁰ частиц, плотной 3-сферы. Это открытие было сделано на телескопе BICEP2, расположенного на Южном полюсе, и оно даёт первое надёжное доказательство имевшей место при рождении нашей вселенной «космической инфляции», когда она расширилась во вне в миллиарды раз.

Теория космической инфляции впервые была предложена Аланом Гасом (Alan Guth), профессором физики в отделении Виктора Ф. Вайсскопфа ЭМ-АЙ-ТИ. Он рассказал об огромном значении этих новых результатов, полученных на BICEP2, корреспонденту ЭМ-АЙ-ТИ Ньюс.

В: Можете ли вы объяснить теорию космической инфляции, которую вы впервые выдвинули в 1980 году?

О: Обычно я описываю инфляцию как теорию «взрыва» Большого взрыва: она описывает приводной механизм, который двигал вселенную в период её сверхбыстрого расширения, т.е. то, что мы называем «Большим взрывом». В своем первоначальном виде, теория Большого взрыва никогда не была теорией взрыва. Она ничего не говорила о том, что взорвалось, почему что-то взорвалось, или что происходило, до того, как это что-то взорвалось.

Первоначально теория Большого взрыва на самом деле была теорией последствий взрыва. Вселенная была уже горячей и плотной, и уже расширялась с фантастической скоростью. Теория описывала, как Вселенная охлаждалась при расширении, и как это расширение тормозилось силой гравитационного притяжения.

Инфляция же предполагает, что расширение вселенной было вызвано отталкивающей (репульсивной) формой гравитации. Согласно Ньютону, сила тяжести является чисто притягивающей силой, но после создания Эйнштейном общей теории относительности этот подход изменился. Общая теория относительности описывает гравитацию как искривление пространства-времени, а это дает возможность предположить существование отрицательной гравитации.

Современная теория элементарных частиц достаточно убедительно указывает на то, что при очень высоких энергиях могут существовать такие формы материи, которые создают отталкивающую гравитацию. Инфляция, в свою очередь, предполагает, что, по крайней мере, на очень небольшом участке расширения ранняя Вселенная была наполнена репульсивно-гравитирующим материалом. Этот начальный участок мог быть невероятно малым, может быть столь малым, что укладывался в длину в 10^-24 сантиметра, что почти в 100 миллиардов раз меньше, чем протяжённость протона. И на этом небольшом участке, под действием репульсивной гравитации начинается экспоненциальное расширение с удвоением размеров примерно каждые 10^-37 секунды. Чтобы более или менее наглядно описать этот процесс на примере нашей видимой вселенной, представьте, что такой участок ― или область ― должен был бы подвергнуться, по меньшей мере, 80-ти удвоениям, начиная с размера в 1 сантиметр. Конечно, может быть, понадобилось бы гораздо большее число удвоений, но, во всяком случае, не меньшее число.

В течение такого экспоненциального расширения, любой обычный материал, разряжаясь, будет терять плотность практически до нуля. Однако в рассматриваемом случае, поведение материи существенно иное: по мере расширения, репульсивно-гравитирующий материал фактически сохраняет постоянную плотность, независимо от расширения пространства! Казалось бы, это является вопиющим нарушением закона сохранения энергии, но на самом деле такое поведение с ним прекрасно согласуется.

Эта зацепка обусловлена одной особенностью гравитации ― энергия гравитационного поля отрицательна. Когда рассматриваемая область увеличивается при постоянной плотности, создаётся всё больше и больше энергии в форме материи. Но одновременно область заполняется всё большим и большим количеством отрицательной энергии в форме гравитационного поля. Таким образом, полная энергия, как и должно быть, остаётся постоянной, то есть очень малой.

Вполне возможно, что общая энергия всей вселенной точно равна нулю ― положительная энергия, привнесённая материей, полностью уравновешивается отрицательной энергией гравитации. Я часто говорю, что вселенная ― это совершенно бесплатный обед, поскольку для его приготовления фактически не требуется энергии.

В какой-то момент инфляция заканчивается, так как репульсивно-гравитирующий материал становится метастабильным. Этот материал распадается на обычные частицы, создавая из частиц сверхгорячий суп, который формирует точку старта для обычного Большого взрыва. В этот момент репульсивная гравитация отключается, но сама область продолжает расширяться по заданному шаблону в течение миллиардов лет. Таким образом, инфляция ― это некий приквел к той эре, которую космологи называют Большим взрывом, хотя и она, возможно, произошла после другой, родительской вселенной, которая, скорее всего, также произошла из своего Большого взрыва.

В: В чём смысл объявленных на этой неделе новых результатов, и как именно они могут оказать существенную поддержку вашей теории?

О: Эффект растяжения, вызванный фантастически быстрым расширением в период инфляции, приводит к определённому сглаживанию, и, с космологической точки зрения, это важно, так как обычный взрыв, как легко предположить, сделал бы вселенную «пятнистой» и нерегулярной.

Ранняя вселенная, как видно из послесвечения космического микроволнового фонового излучения (cosmic microwave background ― CMB, или «реликтовое излучение»), была совершенно однородной ― её массовая плотность была постоянной вплоть до доли в 1/100 000.

Существовавшие при этом крошечные неоднородности впоследствии были усилены гравитацией ― в тех местах, где плотность массы была чуть выше средней, соответственно, создавалось чуть более сильное, в сравнении со средним, гравитационное поле, которое притягивало больше материи и, тем самым, ещё более усиливало гравитационное поле. И вообще, для того, чтобы появилась некая структурная форма, в конце инфляции должны были быть небольшие неоднородности.

В инфляционной модели эти неоднородности, ― которые позже превратились в звёзды, галактики и все прочие структуры вселенной ― являются атрибутами квантовой теории. Квантовая теория поля утверждает, что на сверхмалых масштабах материя находится в состоянии постоянного возбуждения. Если бы мы смогли посмотреть на пустое пространство сквозь некую мощнейшую лупу, мы бы увидели, что электрические и магнитные поля испытывают мощные осцилляции, при которых из вакуума с равной вероятностью выпрыгивают и тут же в нём исчезают электроны и позитроны. Эффект инфляции с её фантастически быстрым расширением состоит в том, что она растягивает эти квантовые флуктуации до макроскопических масштабов.

Температурные неоднородности реликтового излучения впервые были измерены в 1992 году с помощью спутника КОБЭ (COBE); и с тех пор эти измерения продолжаются с возрастающей точностью в серии длительных и впечатляющих экспериментов, проводимых с поверхности Земли, с воздушных зондов и со спутников. Они отлично согласуются с прогнозами теории инфляции. Однако эти результаты, в общем, не рассматриваются в качестве доказательства инфляции, в частности, из-за того, что она не обязательно может быть единственной причиной таких флуктуаций.

Но следует заметить, что растягивающий эффект инфляции, кроме всего прочего, воздействует и на геометрию самого пространства, которое, согласно общей теории относительности, гибкое. Его можно сжать, растянуть или даже скрутить. В малых масштабах геометрия пространства также флуктуирует в силу той физики, которую описывает квантовая теория, и эти флуктуации тоже растягиваются инфляцией и создают в ранней вселенной гравитационные волны.

Новые результаты, полученные Джоном Ковачем (JohnKovac) и коллаборацией BICEP2, ― это результаты измерения этих гравитационных волн с очень высоким уровнем достоверности. Непосредственно гравитационные волны они не наблюдали, но вместо этого они построили очень подробную карту поляризации реликтового излучения на небольшом участке неба. И они увидели закрученный паттерн поляризации (так называемые «B-моды»), который мог быть создан только гравитационными волнами в ранней вселенной или оказаться эффектом гравитационного линзирования материей в поздней вселенной.

Но в этом случае реликтовые гравитационные волны могут быть выделены, так как они, как правило, распределены в бóльших угловых масштабах, поэтому команда BICEP2 легко выделила их вклад. Таким образом, впервые был обнаружен, по меньшей мере, намек на эти реликтовые гравитационные волны, и что тоже впервые, это то, что квантовые свойства гравитации стали непосредственно наблюдаемыми.

В: Как бы вы описали значимость этих новых находок и вашу реакцию на них?

О: Значение этих открытий огромно. Во-первых, они существенно помогают подтвердить картину инфляции. Насколько нам известно, нет ничего другого, кроме инфляции, что могло бы породить такие гравитационные волны. Во-вторых, они многое расскажут нам о некоторых деталях инфляции, которых мы ещё не знаем. В частности, с помощью этих данных мы сможем определить плотность энергии вселенной в период инфляции ― ранее в этой области мы могли только строить массу всевозможных предположений.

Также при определении плотности энергии вселенной в период инфляции, на базе полученных данных, мы сможем сделать выводы о том, какие из достаточно детально разработанных версий инфляции по-прежнему остаются жизнеспособными, а какие нет. Текущие результаты сами по себе не являются решающими, но они указывают, в каком направлении могут быть построены наиболее простые инфляционные модели.

Наконец, пожалуй, самое главное: новые результаты ― это не конец истории, они более похожи на открытие нового окна. Теперь, благодаря тому, что эти B-моды были найдены, коллаборация BICEP2 и многие другие группы продолжат их изучение. Они создадут новые инструменты для исследования поведения ранней вселенной, в том числе, и процесса инфляции.

Когда я (и другие учёные) в начале 1980-х начали работу по эффектам квантовых флуктуаций, я никогда не думал, что кто-нибудь когда-нибудь сможет измерить эти эффекты. На самом деле для меня это была просто игра, с целью посмотреть, сможем ли я и мои коллеги прийти к согласию, теоретически рассматривая возможные образы этих флуктуаций. Так что я очень изумлён этим достижением астрономов ― тем, как они сумели провести измерения этих мизерных эффектов, ― и особенно новыми данными, полученными командой BICEP2. Как всегда это бывает в работе экспериментаторов, прежде чем принять полученные данные как истину, нам следует подождать подтверждения полученных результатов данными других групп экспериментаторов. Но представляется, что эта команда работала достаточно тщательно, и их данные достаточно чисты. И мне кажется, что, скорее всего, их результаты подтвердятся.