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

Гравитационные волны

Мы, космологи, ненасытны. Открытие реликтового излучения заставило нас задуматься о том, однородно оно или нет. После открытия анизотропии космологи захотели узнать, как возникли эти крошечные складки. В конце концов мы решились задать вопрос: что было до возникновения микроволнового фона? Существуют ли какие-то реликтовые следы, позволяющие нам вернуться к «нулевой точке во времени» и узнать, действительно ли Вселенная пережила стремительную инфляцию? Нужны были самые первые и вездесущие следы, достаточно устойчивые, чтобы они могли сохраниться до наших дней.
Фотоны реликта с их бесконечным сроком жизни соответствовали этим критериям, но они возникли слишком поздно — только через 380 000 лет после Большого взрыва. Два других кандидата — стабильный и вездесущий гелий и дейтерий — образовались в первые 20 минут и первые две минуты после рождения Вселенной соответственно. Это было гораздо лучше, но все равно не то. Космологи хотели заглянуть в самое начало — в первую крошечную долю секунды от начала отсчета времени.
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.
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.

 

Показать оглавление

Комментариев: 0

Оставить комментарий