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

Хлоп — и дело дошло до космоса

Жидкость в состоянии ложного вакуума и пузырьки в состоянии истинного вакуума были критическими компонентами модели Гута. Каждый из них играл определенную роль: ложный вакуум вызывал экспоненциальное расширение, а пузырьки истинного вакуума накапливали энергию на своих поверхностях. Когда эта энергия поверхностного натяжения высвобождалась, она превращалась в частицы и излучение, такие как лептоны, кварки, фотоны и нейтрино. Все это происходило в первые мгновения — в первую триллионную триллионной триллионной доли секунды — после рождения нашей Вселенной. Когда Вселенная достигла этого «зрелого» возраста, она начала стремительно раздуваться и через несколько минут такой инфляции расширилась и охладилась настолько, что в ней началось образование ядер. Все остальное, как говорится, уже космическая история (рис. 35).
Но и у инфляционной модели имелся изъян, и он казался фатальным. Темпы расширения ложного вакуума были столь стремительны, что Вселенная должна была раздуваться быстрее скорости света — и, следовательно, пузырьки не успевали сливаться. Поскольку накопленная в пузырьке энергия высвобождается только при столкновении с другим пузырьком — в процессе, называемом перколяцией, — это также означало, что во Вселенной неоткуда было взяться энергии, из которой могла образоваться материя. Пузырьки не могли встретиться, и Вселенная должна была оставаться стерильной, холодной и бесплодной, что явно противоречило наблюдениям. Более того, при таких условиях инфляция продолжалась бы безостановочно — эту головоломку вскоре назвали «проблемой изящного выхода». Если бы инфляционное расширение никогда не прекращалось, это стало бы спасительным смертельным ударом.

 

 

Наверняка вы уже заметили тенденцию: когда космологи не могут до конца разобраться с теорией, они называют это проблемой и, чтобы решить ее, выдвигают новую идею. Однако решение приносит новые проблемы. Это напоминает борьбу с тараканами: вы прихлопываете одного, а из-за угла выбегает десяток других. Сейчас вы думаете: «Держу пари, нашелся космолог, который придумал чисто теоретическое объяснение, решающее проблему изящного выхода, и это объяснение создало новую проблему». Что ж, вы совершенно правы. Но для того и существует экспериментальная космология: мы, экспериментаторы, не позволяем этим теориям размножаться, как тараканам, и готовим пестициды в форме наблюдательных данных!
Итак, когда модель Гута начала вызывать скепсис, на сцене появился Пол Стейнхардт. Стейнхардт специализировался на физике высоких энергий, но не хуже разбирался в физике конденсированного состояния (так называется большая ветвь физики, изучающая фазовые переходы). Как потом оказалось, он был идеальным кандидатом, чтобы вывести инфляционную модель на нужный путь.
В 1980 году Стейнхардт случайно услышал лекцию Алана Гута, как раз когда проблема изящного выхода казалась избавлением от инфляционного фатума. Он был зачарован. Его заинтриговала математика инфляционной модели и взаимодействия между физикой элементарных частиц и физикой конденсированных сред, а неспособность изящно завершить инфляцию взбудоражила. «Это была самая захватывающая и самая удручающая лекция, какую мне доводилось слышать», — вспоминает Стейнхардт. Он не сомневался, что сможет найти решение, и притом быстро. «Я подумал, что отвлекусь на эту тему на несколько недель, — поделился со мной Стейнхардт в 2017 году. — В результате занимаюсь ею по сей день!»
Стейнхардт и его аспирант Андреас Альбрехт закатали рукава. Вскоре они поняли: чтобы решить проблему изящного выхода, им придется отказаться от любимой идеи Гута — внезапной перколяции пузырьков. Они заменили его более плавным процессом, называемым «медленное скатывание». Вместо стремительного соединения пузырьков в их обновленной модели фигурировал инфлатон, который превращался в обычную материю и излучение. Процесс по-прежнему занимал всего одну триллионную триллионной триллионной доли секунды. Вскоре российский физик Андрей Линде пришел к аналогичному решению, что добавило убедительности концепции, предложенной Стейнхардтом и Альбрехтом. Модифицированная теория получила название «новая инфляция».
После модернизации концепции инфляции Стейнхардт вместе с физиком Майклом Тернером из Чикагского университета решил посмотреть, как может выглядеть квантовая теория инфляции. Всем нам знакомы «классические» поля, такие как температура; в современной же физике поля квантовые. В отличие от плавных непрерывных функций, таких как значения температуры, квантовые поля могут иметь только определенные дискретные, или квантованные, значения.
Почти сразу же Стейнхардт и Тернер наткнулись на нечто удивительное. Квантуя инфлатон, они добивались, чтобы он «скатывался» в дискретной, прерывистой (квантовой) манере, а не непрерывно и плавно, как обычный шар. Неожиданно ученые получили дивиденд: новая инфляция неизбежно порождала крошечные вариации в искривленности пространства-времени, маленькие складки.
Эти складки возникали в силу неравномерной инфляции на разных участках. Там, где энергия поля инфлатона была больше, даже случайно, расширение происходило быстрее, чем в других регионах. Эти регионы Вселенной превращались в пустоты с меньшей в среднем концентрацией материи и более слабой гравитацией. На картах температурной анизотропии реликта они выглядят как горячие пятна. Для областей инфлатона с меньшей плотностью энергии был характерен противоположный эффект: на картах CMB мы видим их в форме холодных пятен (рис. 36) . Но, хотя новая квантовая инфляционная модель описала механизм возникновения флуктуаций, она не смогла объяснить, насколько велики, а точнее, малы эти флуктуации.
Тем не менее новая инфляционная модель имела большой успех. Наконец-то теория, описывающая начало Вселенной, решила больше проблем, чем создала. Хотя предсказанный паттерн искажений CMB был зарегистрирован аппаратурой COBE только в 1992 году, в конечном итоге его сочли первым успешным предсказанием — в противоположность ретроспекциям вроде проблем горизонта и плоскостности, которые инфляция была предназначена решить.
А как насчет уникальных предсказаний новой инфляции, надежных тестов, позволяющих поднять элегантное математическое построение на уровень полной теории космогенеза? Космологам требовалась неопровержимая улика, чтобы не подвергать инфляцию здоровым сомнениям, иначе этой теории было суждено остаться очередной историей, подобной библейскому нарративу о сотворении мира.

 

Показать оглавление

Комментариев: 0

Оставить комментарий