В течение шести месяцев в году постоянные темные и ветреные равнины южной полярной ледяной шапки имеют среднюю температуру около 58 градусов по Фаренгейту ниже нуля. Летом, когда солнце возвращается к своему шестимесячному дню, ледниковая местность едва ли становится более привлекательной, температура поднимается до минус 20 градусов. Не то место, которое большинство из нас предпочло бы посетить.
Связанный контент
- Наблюдайте за развитием Вселенной за 13 миллиардов лет
- Большая «гравитационная волна», обнаруженная на самом деле, могла быть лишь пылью
- Наука большой «гравитационной волны» в понедельник объясняется через две минуты
- Новое космическое открытие может быть самым близким, к которому мы пришли в начале времени
Но если вы астроном, ищущий коллекцию фотонов, которые направлялись к нам сразу после Большого взрыва, то Лаборатория темного сектора Южного полюса - это то, что Мет для оперы или Стадион Янки для бейсбола. Это главное место для практики вашей торговли. Обладая самым холодным и сухим воздухом на земле, атмосфера позволяет фотонам перемещаться практически беспрепятственно, обеспечивая самые резкие космические космические снимки, когда-либо сделанные.
В течение трех лет группа астрономов во главе с исследователем из Гарварда-Смитсона Джоном Ковачем выдержала элементы, чтобы указать на мускулистый телескоп, известный как Бицеп-2 (сокращение от менее эуфоничной фоновой съемки космической внегалактической поляризации), на участке южного неба. В марте команда опубликовала свои результаты. Если выводы будут верны, они откроют впечатляющее новое окно в самые ранние моменты вселенной и заслуженно войдут в число самых важных космологических открытий прошлого столетия.
Это история, корни которой берут свое начало от ранних историй создания, призванных удовлетворить первичное стремление понять наше происхождение. Но я продолжу рассказ позже - с открытием Альбертом Эйнштейном общей теории относительности, математической основы пространства, времени и всей современной космологической мысли.
Фокальная плоскость телескопа Bicep2, показанная под микроскопом, была разработана Лабораторией реактивного движения НАСА. (Энтони Тернер / JPL) 
Гравитационные волны, растягиваемые инфляцией, генерируют слабый, но характерный паттерн, называемый сигналом B-моды, который фиксируется бицепсом2. (BICEP2) 
Во время надувания (показано слева) гравитационная сила выталкивается наружу, растягивая Вселенную за доли секунды. (WMAP) Телескоп Bicep2, показанный в сумерках, впервые обнаружил предсказанную гравитационную волну, объявила его команда. (Штеффен Рихтер / Гарвардский университет) Деформированное пространство к Большому взрыву
В первые годы 20-го века Эйнштейн переписал правила пространства и времени своей специальной теорией относительности. До тех пор большинство людей придерживалось ньютоновской перспективы - интуитивной перспективы - в которой пространство и время обеспечивают неизменную арену, в которой происходят события. Но, как описал это Эйнштейн, весной 1905 года в его разуме разразилась буря, ливень математической проницательности, охвативший универсальную арену Ньютона. Эйнштейн убедительно утверждал, что нет универсального времени - часы в движении тикают медленнее - и универсального пространства нет - линейки в движении короче. Абсолютная и неизменная арена уступила место и время, которые были податливы и гибки.
После этого успеха Эйнштейн повернулся к еще более сложной задаче. Более двух столетий универсальный закон тяготения Ньютона проделал впечатляющую работу по предсказанию движения всего, от планет до комет. Тем не менее, у Ньютона была загадка: как гравитация оказывает свое влияние? Как Солнце влияет на Землю через 93 миллиона миль практически пустого пространства? Ньютон предоставил руководство для владельца, позволяющее математически адепту рассчитать эффект гравитации, но он не смог открыть капот и показать, как гравитация делает то, что делает.
В поисках ответа Эйнштейн участвовал в десятилетней навязчивой, изнурительной одиссеи с помощью тайной математики и творческих полетов физической фантазии. К 1915 году его гений прорвался сквозь последние уравнения общей теории относительности, наконец, раскрыв механизм, лежащий в основе силы тяжести.
Ответ? Пространство и время. Уже оторванные от своих ньютоновских основ специальной теорией относительности, пространство и время полностью ожили в общей теории относительности. Эйнштейн показал, что если искривленный деревянный пол может подталкивать вращающийся мрамор, пространство и время сами могут искажаться и подталкивать земные и небесные тела следовать траекториям, долгое время приписываемым влиянию гравитации.
Как бы ни была абстрактна формулировка, общая теория относительности делала окончательные предсказания, некоторые из которых были быстро подтверждены астрономическими наблюдениями. Это вдохновило математически ориентированных мыслителей всего мира на изучение подробностей теории. Именно работа бельгийского священника Жоржа Леметра, который также имел докторскую степень по физике, продвинула историю, которой мы следуем. В 1927 году Лемэтр применил уравнения общей относительности Эйнштейна не к объектам во вселенной, таким как звезды и черные дыры, а ко всей вселенной. В результате Лемэтр снова встал на пятки. Математика показала, что вселенная не может быть статичной: ткань пространства либо растягивалась, либо сжималась, что означало, что вселенная либо увеличивалась в размерах, либо уменьшалась.
Когда Лемэтр предупредил Эйнштейна о том, что он нашел, Эйнштейн усмехнулся. Он думал, что Лемэтр слишком далеко зашел по математике. Эйнштейн был настолько уверен, что вселенная в целом была вечной и неизменной, что он не только отклонил математический анализ, свидетельствующий об обратном, но и внес небольшую поправку в свои уравнения, чтобы гарантировать, что математика будет соответствовать его предубеждению.
И это было предубеждением. В 1929 году астрономические наблюдения Эдвина Хаббла с использованием мощного телескопа в обсерватории Маунт-Уилсон показали, что далекие галактики все устремляются прочь. Вселенная расширяется. Эйнштейн ударил себя по лбу, выговор за то, что он не доверяет результатам, вытекающим из его собственных уравнений, и привел его мышление и его уравнения в соответствие с данными.
Большой прогресс, конечно. Но новые идеи дают новые загадки.
Как указывал Лемэтр, если пространство теперь расширяется, то, переворачивая космическую пленку в обратном направлении, мы заключаем, что наблюдаемая вселенная была когда-то меньше, плотнее и горячее, чем дальше во времени. По-видимому, неизбежный вывод состоит в том, что вселенная, которую мы видим, возникла из феноменально крошечной крошки, которая разразилась, послав пространство наружу - то, что мы сейчас называем Большим взрывом.
Но если это правда, что вызвало космический отек? И как можно проверить такое диковинное предложение?
Теория инфляции
Если вселенная возникла из душного горячего и чрезвычайно плотного первобытного атома, как назвал его Лемэтр, тогда, когда пространство вздулось, вселенная должна была остыть. Расчеты, проведенные в Университете Джорджа Вашингтона в 1940-х годах, а затем в Принстоне в 1960-х годах, показали, что остаточное тепло Большого взрыва проявится в виде ванны фотонов (частиц света), равномерно заполняющих пространство. Температура фотонов теперь упала бы на 2, 7 градуса выше абсолютного нуля, поместив их длину волны в микроволновую часть спектра, что объясняет, почему этот возможный реликт Большого взрыва называется космическим микроволновым фоновым излучением.
В 1964 году двое ученых из Bell Labs, Арно Пензиас и Роберт Уилсон, пришли в упадок из-за большой наземной антенны, предназначенной для спутниковой связи. Независимо от того, куда они указали антенну, они столкнулись с кошмаром аудиофилов: непрекращающимся шипением. В течение нескольких месяцев они искали, но не смогли найти источник. Затем Пензиас и Уилсон заметили космологические расчеты, сделанные в Принстоне, предполагая, что должно быть пространство, заполненное радиацией низкого уровня. Исследователи поняли, что непрекращающееся шипение происходит от фотонов Большого взрыва, щекочущих приемник антенны. Это открытие принесло Пензиасу и Уилсону Нобелевскую премию 1978 года.
Выдача теории Большого взрыва взлетела до небес, вынуждая ученых пытаться разобраться в теории в поисках неожиданных последствий и возможных слабостей. Был выявлен ряд важных вопросов, но самым важным был также самый
основной.
Большой взрыв часто называют современной научной теорией творения, математическим ответом на Бытие. Но это понятие скрывает существенную ошибку: теория Большого взрыва не говорит нам, как возникла Вселенная. Это говорит нам о том, как развивалась вселенная, начиная с доли секунды после того, как все началось. Когда перемотанная космическая пленка приближается к первому кадру, математика ломается, закрывая линзу, как только событие создания собирается заполнить экран. И поэтому, когда речь заходит о объяснении самого взрыва - изначального толчка, который, должно быть, устремил вселенную на путь расширения - теория Большого взрыва молчит.
Молодому докторанту на физическом факультете Стэнфордского университета Алану Гуту предстоит сделать жизненно важный шаг к заполнению этого пробела. Гут и его сотрудник Генри Тай из Корнелльского университета пытались понять, как определенные гипотетические частицы, называемые монополями, могли быть получены в самые ранние моменты вселенной. Но вычисляя до глубины ночи 6 декабря 1979 года, Гут взял работу в другом направлении. Он осознал, что уравнения не только показали, что общая теория относительности перекрыла существенный пробел в ньютоновской гравитации - обеспечивая механизм гравитации - они также показали, что гравитация может вести себя неожиданным образом. Согласно Ньютону (и повседневному опыту) гравитация - это сила притяжения, которая притягивает один объект к другому. Уравнения показали, что в формулировке Эйнштейна гравитация также может быть отталкивающей.
Гравитация знакомых объектов, таких как Солнце, Земля и Луна, безусловно, привлекательна. Но математика показала, что другой источник, не сгусток материи, а энергия, воплощенная в поле, равномерно заполняющем область, будет генерировать гравитационную силу, которая будет выталкивать наружу. И свирепо так. Область, составляющая всего одну миллиардную часть миллиардной доли сантиметра в поперечнике, заполненную соответствующим энергетическим полем, называемым полем инфлатона, будет разорвана мощной отталкивающей гравитацией, потенциально простирающейся до такой же величины, как наблюдаемая вселенная, за долю секунды.
И это будет справедливо называться взрывом. Большой взрыв.
С последующими уточнениями первоначальной реализации отталкивающей гравитации учеными, включая Андрея Линде, Пола Штайнхардта и Андреаса Альбрехта, родилась инфляционная теория космологии. Достоверное предложение о том, что вызвало внешнее увеличение пространства, наконец появилось на столе теоретиков. Но так ли это?
Тестирование инфляции
На первый взгляд, может показаться глупым поручение искать подтверждение теории, которая якобы действовала в течение крошечной доли секунды почти 14 миллиардов лет назад. Несомненно, вселенная теперь расширяется, поэтому что-то привело ее в движение. Но возможно ли даже проверить, что оно было вызвано мощной, но короткой вспышкой отталкивающей гравитации?
Это. И этот подход снова использует микроволновое фоновое излучение.
Чтобы почувствовать, как, нарисуйте крошечное сообщение, слишком маленькое, чтобы его могли прочитать, на поверхности спущенного воздушного шара. Затем взорвать воздушный шар. По мере того, как оно растягивается, ваше сообщение тоже растягивается и становится видимым. Точно так же, если бы в космосе происходило резкое инфляционное растяжение, то крошечные физические отпечатки, установленные в самые ранние моменты вселенной, растянулись бы по небу, возможно, сделав их также видимыми.
Есть ли процесс, который запечатлел бы крошечное послание в ранней вселенной? Квантовая физика отвечает оглушительным да. Это сводится к принципу неопределенности, выдвинутому Вернером Гейзенбергом в 1927 году. Гейзенберг показал, что микромир подвержен неизбежным «квантовым дрожаниям», которые делают невозможным одновременное указание определенных характеристик, таких как положение и скорость частицы. Для полей, занимающих пространство, принцип неопределенности показывает, что напряженность поля также подвержена квантовым колебаниям, в результате чего его значение в каждом месте колеблется вверх и вниз.
Десятилетия экспериментов на микрореале подтвердили, что квантовые дрожания реальны и повсеместны; они незнакомы только потому, что колебания слишком малы, чтобы их можно было наблюдать в повседневной жизни. Вот где инфляционное растяжение пространства вступает в свои права.
Как и в случае с вашим сообщением о расширяющемся воздушном шаре, если вселенная претерпела колоссальное расширение, предложенное теорией инфляции, то крошечные квантовые колебания в поле инфлатона - помните, что это поле, ответственное за отталкивающую гравитацию - растянулись бы в макромире. Это приведет к тому, что энергия поля в некоторых местах будет больше, а в других - меньше.
В свою очередь, эти изменения в энергии будут влиять на космическое микроволновое фоновое излучение, подталкивая температуру немного выше в некоторых местах и немного ниже в других. Математические расчеты показывают, что колебания температуры будут небольшими - около 1 части на 100 000. Но - и это является ключевым - изменения температуры заполнили бы конкретную статистическую картину по небу.
Начиная с 1990-х годов, ряд все более совершенных наблюдательных предприятий - наземных, аэростатных и космических телескопов - стремился к этим изменениям температуры. И нашел их. Действительно, между теоретическими предсказаниями и данными наблюдений захватывает дух.
И с этим, вы могли бы подумать, что инфляционный подход был подтвержден. Но как сообщество физики относятся к группе скептиков, с которой вы когда-либо сталкивались. За прошедшие годы некоторые предложили альтернативные объяснения данных, в то время как другие подняли различные технические проблемы для самого инфляционного подхода. Инфляция оставалась ведущей космологической теорией, но многие считали, что пистолет для курения еще не найден.
До сих пор.
Рябь в ткани пространства
Так же, как поля в пространстве подвержены квантовым дрожаниям, квантовая неопределенность гарантирует, что и само пространство должно быть подвержено квантовым дрожаниям. Это означает, что пространство должно быть волнистым, как поверхность кипящей кастрюли с водой. Это незнакомо по той же причине, по которой гранитная столешница кажется гладкой, даже если ее поверхность пронизана микроскопическими дефектами - волнистости происходят в чрезвычайно крошечных масштабах. Но, опять же, поскольку инфляционное расширение растягивает квантовые элементы в макрореал, теория предсказывает, что крошечные волнистости прорастают в гораздо более длинную рябь в пространственной структуре. Как бы мы обнаружили эти рябь или первичные гравитационные волны, как их более правильно называть? В третий раз вездесущая реликвия Большого взрыва, космическое микроволновое фоновое излучение, является билетом.
Расчеты показывают, что гравитационные волны могут запечатлеть скручивающуюся картину на фоновом излучении, символический отпечаток инфляционного расширения. (Точнее, фоновое излучение возникает в результате колебаний в электромагнитном поле; направление этих колебаний, известное как поляризация, искажается вслед за гравитационными волнами.) Обнаружение таких завихрений в фоновом излучении долгое время считалось золотой стандарт для установления теории инфляции, давно искавший дымящийся пистолет.
12 марта пресс-релиз, обещающий «главное открытие», выпущенный Гарвард-Смитсоновским Центром Астрофизики, наземным управлением Северной Америки для миссии Bicep2, разослал затаившие дыхание слухи в мировом физическом сообществе. Возможно, сучки были найдены? На пресс-конференции 17 марта слухи подтвердились. После более чем года тщательного анализа данных команда Bicep2 объявила, что она впервые обнаружила предсказанную картину гравитационных волн.
Тонкие завихрения в данных, собранных на Южном полюсе, свидетельствуют о квантовых сотрясениях пространства, растянутых инфляционным расширением, распространяющихся по ранней Вселенной.
Что все это значит?
Повод для инфляционной теории в настоящее время усиливается, завершая столетие потрясений в космологии. Теперь, мы не только знаем, что вселенная расширяется, мы не только имеем заслуживающее доверия предложение о том, что вызвало расширение, мы обнаруживаем отпечаток квантовых процессов, которые щекотали пространство в течение этой огненной первой доли секунды.
Но, будучи одним из тех физиков-скептиков, пусть и возбудимых, позвольте мне в заключение привести некоторые соображения об этих событиях.
Команда Bicep2 проделала героическую работу, но полная уверенность в ее результатах потребует подтверждения со стороны независимых команд исследователей. Нам не придется долго ждать. Конкуренты Бицепса также преследовали микроволновые завихрения. В течение года, а может и меньше, некоторые из этих групп могут сообщить о своих выводах.
Не вызывает сомнений то, что текущие и будущие миссии будут предоставлять все более точные данные, которые обострят инфляционный подход. Имейте в виду, что инфляция - это парадигма, а не уникальная теория. Теоретики теперь реализовали основную идею гравитационной гравитации сотнями способов (разное количество инфлатонных полей, различное взаимодействие между этими полями и т. Д.), Причем каждое из них обычно дает немного разные предсказания. Данные Bicep2 уже значительно обесценили жизнеспособные модели, и последующие данные продолжат процесс.
Все это добавляет необычное время для теории инфляции. Но есть еще больший урок. Исключая маловероятную возможность того, что при более точных измерениях вихри исчезнут, у нас теперь есть новое окно наблюдения квантовых процессов в ранней Вселенной. Данные Bicep2 показывают, что эти процессы происходят в масштабах расстояний, более чем в триллион раз меньших, чем те, которые исследуются нашим самым мощным ускорителем частиц, Большим адронным коллайдером. Несколько лет назад вместе с группой исследователей я предпринял одно из первых попыток вычислить, как наши передовые теории ультрамалых, такие как теория струн, могут быть проверены с помощью наблюдений за микроволновым фоновым излучением. Теперь, с этим беспрецедентным скачком в микрореал, я могу себе представить, что более изощренные исследования такого рода могут предвещать следующий этап в нашем понимании гравитации, квантовой механики и нашего космического происхождения.
Инфляция и Мультивселенная
Наконец, позвольте мне обратиться к проблеме, которую я до сих пор тщательно избегал, и она так же удивительна, как и спекулятивна. Возможный побочный продукт инфляционной теории заключается в том, что наша вселенная может быть не единственной вселенной.
Во многих инфляционных моделях поле инфлатона настолько эффективно, что даже после подпитки отталкивающего толчка нашего Большого взрыва, поле готово к тому, чтобы питать еще один большой взрыв и еще один. Каждый взрыв дает свое собственное расширяющееся царство, а наша вселенная отводится одному из многих. Фактически, в этих моделях инфляционный процесс, как правило, оказывается бесконечным, он вечен и, следовательно, дает неограниченное количество вселенных, населяющих большую космическую мультивселенную.
С накоплением доказательств инфляционной парадигмы заманчиво сделать вывод, что доверие к мультивселенной также должно возрасти. Хотя я сочувствую этой точке зрения, ситуация далеко не ясна. Квантовые флуктуации не только приводят к изменениям в пределах данной вселенной - главным примером являются микроволновые фоновые вариации, которые мы обсуждали, - они также влекут за собой изменения между самими вселенными. И эти вариации могут быть значительными. В некоторых воплощениях теории другие вселенные могут отличаться даже по видам частиц, которые они содержат, и по действующим силам.
В этом чрезвычайно широком взгляде на реальность задача состоит в том, чтобы сформулировать то, что фактически предсказывает инфляционная теория. Как нам объяснить, что мы видим здесь, в этой вселенной? Должны ли мы рассуждать о том, что наша форма жизни не может существовать в различных средах большинства других вселенных, и именно поэтому мы оказываемся здесь - противоречивый подход, который кажется некоторым ученым отговоркой? Таким образом, проблема заключается в том, что с вечной версией инфляции, порождающей так много вселенных, каждая из которых имеет свои особенности, теория способна подорвать саму причину нашей уверенности в самой инфляции.
Физики продолжают бороться с этими пробелами. Многие уверены, что это всего лишь технические проблемы инфляции, которые со временем будут решены. Я склонен согласиться. Объясняющий пакет инфляции настолько примечателен, а его наиболее естественные предсказания настолько впечатляюще связаны с наблюдением, что все это кажется слишком красивым, чтобы ошибаться. Но до тех пор, пока тонкости, поднятые мультивселенной, не будут решены, разумно оставить за собой окончательное решение.
Если инфляция верна, провидцы, разработавшие теорию, и пионеры, подтвердившие ее предсказания, достойны Нобелевской премии. Тем не менее, история будет еще больше. Достижения такого масштаба превосходят человека. Для всех нас настало время гордиться и удивляться, что наше коллективное творчество и проницательность раскрыли некоторые из самых глубоких секретов вселенной.
