Маяк Большого взрыва

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………. 2

РАСШИРЯЮЩАЯСЯ ВСЕЛЕННАЯ …………………………………………..4

ДОРОГА К ТЕОРИИ ИНФЛЯЦИИ                               …………………………7

СЛЕДЫ ГРАВИТАЦИОННЫХ ВОЛН…………………………………………11

ПОСЛЕДСТВИЯ ДЛЯ  МУЛЬТИВСЕЛЕННОЙ………………………………17

ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………………19

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК…………………………………………..20

ПРИЛОЖЕНИЯ. ………………………………………………………………...21

1.Введение

Тема моей исследовательской работы «Маяк Большого Взрыва»

 АКТУАЛЬНОСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ

Долгосрочная судьба Вселенной, в которой мы живем, всегда волновала воображение человечества. На протяжении двадцатого века, и особенно за два последних десятилетия, физика, астрономия и космология сделали огромный скачок вперед, так что теперь мы понимаем нашу Вселенную так хорошо, как никогда ранее.

Космология занимается, главным образом, предысторией Вселенной, и это справедливо. Теория Большого взрыва вкупе с ее вариациями образует весьма успешную парадигму для описания зарождения Вселенной, а последние результаты астрономических наблюдений подводят под нее прочную научную основу.

Объект исследования – исследовать физические процессы, характерные для ранней Вселенной при помощи гравитационных волн, рожденных в первые моменты после Большого взрыва.

Предмет исследования - гравитационные волны как инструмент исследования ранней Вселенной.

Гипотеза исследования -  если будут обнаружены гравитационные волны, то человечество получит подтверждение того факта, что инфляция действительно была и сможет глубже понять квантовые процессы, которые породили инфляцию.

Цель исследования:

1. Исследование инфляционного расширения ранней Вселенной при помощи гравитационных волн.
2. Нахождение космологических данных,  свидетельствующих о  существовании гравитационных волн.
3. Изучение  симметрии с точки зрения физики микромира.
4. Определение  перспектив  исследования инфляции и великого объединения.

Задачи исследования:

1. анализ существующих в отечественной и зарубежной науке теоретических подходов
2. систематизировать и анализировать полученные в ходе исследования данные;

Тип  работы - теоретическое исследование.

Методы работы – анализ, абстрагирование, обобщение.

В ходе теоретического исследования я узнал, что в марте 2014 г. группа ученых, работающих на  микроволновом телескопе на Южном полюсе, опубликовала сообщение, взволновавшее научное сообщество. В нем говорилось об обнаружении гравитационных волн, рожденных в первые мгновения после Большого взрыва. Наблюдения, будучи подтвержденными, окажутся важнейшими за последние десятилетия. Ученые смогут с определенностью сказать, как зародился наш мир, возможно, в скором времени мы познаем тайны ранней вселенной и еще на шаг приблизимся к созданию теории великого объединения. Кроме того, окажется возможным связать в единое целое лучшие теории квантового мира с лучшими теориями гравитации, описывающими массивные тела в космосе, основанными на общей теории относительности Эйнштейна. И, наконец, можно будь предоставить убедительные доказательства существования иных миров.

Как только поступило сообщение об открытии гравитационных волн, многие ученые задались вопросом, насколько оно реально. Скептицизм послужил основанием для организации большого количества новых независимых наблюдений, результаты которых будут известны уже в следующем году, что позволит окончательно подтвердить или опровергнуть анонсируемое открытие. Нам не придется долго ждать: скоро станет известно, действительно ли перед нами маяк ранней Вселенной, ведущий к ее неразгаданным тайнам.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. В  начале 2014 г. ученые сообщили о возможном открытии гравитационных волн, рожденных в первые моменты после Большого взрыва.
2. Если открытие будет подтверждено, то ученые получат возможность исследовать уникальные физические процессы на стыке теории относительности и квантовой теории.
3. Быть может, удастся получить косвенные свидетельства существования мультивселенной — бесконечного пространства с бесконечным набором отдельных вселенных.

2. Расширяющаяся Вселенная.

Расширение Вселенной впервые было обнаружено американским астрофизиком Эдвином Хабблом в 1929 г. С помощью крупнейшего в то время телескопа он определил расстояния до ближайших галактик по яркости найденных в них пульсирующих звезд класса цефеид, которые являются своеобразными маяками, позволяющими рассчитать их удаленность по соотношению «период-светимость». Сопоставив полученные расстояния со скоростями разлета галактик, определенными ранее по смещению линий в их спектрах, Хаббл установил, что для каждой галактики скорость ее удаления тем больше, чем больше расстояние до нее. Впоследствии, открытую закономерность назвали законом Хаббла, а коэффициент пропорциональности «скорость-расстояние» Н получил название «постоянной Хаббла». В соответствии с теорией Большого Взрыва расширение Вселенной из сверхплотной и сверхгорячей сингулярности до современного состояния в разные эпохи происходило с различными скоростями. Представленная схема (рис.2, приложение 1) изображает расширение участка условного «среза» Вселенной.

Надо сказать, что это открытие не было полной неожиданностью: ранее его предсказал советский ученый Александр Фридман, применив уравнение общей теории относительности Эйнштейна для описания эволюции однородной изотропной Вселенной. Из решений, полученных им, следовало, что такая Вселенная не может быть стационарной - она может расширяться или сжиматься. Что происходит с нашей Вселенной - можно установить только по данным астрономических наблюдений. Она расширяется. Из закона Хаббла следует, что расширение «стартовало» ~1/Н лет назад для всех галактик одновременно. Этот момент начала расширения называют Большим Взрывом.

Если рассматривать состояние материи, двигаясь во времени обратно к Большому Взрыву, при t → 0 размеры сколь угодно большой области Вселенной стремятся к нулю. То есть, вся материя, которая теперь доступна для наблюдений, исходно была собрана в точке бесконечно малых размеров. Плотность материи и температура в ней были бесконечными. Это так называемая космологическая сингулярность, состояние материи в которой не описывается законами физики. Такой сценарий расширения называют «стандартной моделью Большого Взрыва», а сингулярность — ее «неустранимой» проблемой.

Поскольку во Вселенной действует закон всемирного тяготения, расширение должно происходить с замедлением: кинетическая энергия разлета галактик тратится на преодоление сил гравитации. Попытки определить это замедление на протяжении многих лет были неудачными. Ситуация изменилась с выводом в 1990 г. на околоземную орбиту космического телескопа Хаббла. Одна из главных задач  телескопа - исследование галактик с целью уточнения закона Хаббла и определения величины ускорения расширения Вселенной. В результате удалось установить, что почти три четверти (72%) ее плотности составляет энергия неизвестной природы, противодействующая гравитации. Ее назвали «темной энергией».

С помощью телескопа Hubble определена величина постоянной Хаббла: 74±4 км/с Мпк. Зная ее, можно рассчитать возраст Вселенной от начала расширения — он составляет 13,7 млрд. лет, что хорошо согласуется с возрастом старейших звезд Галактики.

На рис.3 приложение 1 показана модель эволюции Вселенной согласно современным представлениям. В левой части этого рисунка показан момент Большого Взрыва, после которого имел место период стремительного расширения (инфляции). Излучение, рожденное в последовавшую затем эпоху, называется реликтовым микроволновым фоном и доступно приборам космических обсерваторий.

Впервые идея существования реликтового излучения была выдвинута в 1946 году Георгием Гамовым. Он считал, что на ранних стадиях расширения Вселенная была горячей. И «на память об этой фазе должно остаться тепловое излучение, приходящее со всех направлений. Вместе со своими учениками он использовал эту гипотезу в 1948 году для объяснения синтеза всех элементов таблицы Менделеева и их изотопов в процессе эволюции Вселенной. Эти идеи легли в основу так называемой «горячей модели» Вселенной. Согласно современным представлениям, в раннюю эпоху – в первые 3 минуты после Большого взрыва – синтезировались только легкие элементы. Все остальные возникли гораздо позже, в недрах звезд и при вспышке сверхновых.

С течением времени вследствие расширения Вселенной тепловое излучение «охладилось», и его современная температура, по оценкам Гамова должна быть всего на 5-6 градусов выше абсолютного нуля, т.е. равна 5-6 К. Гамов считал, что реликтовое излучение практически невозможно выделить на фоне суммарного излучения  звезд, межзвездного газа и пыли. Поэтому в течение 15 лет никто из астрономов не делал практических попыток обнаружить реликтовый фон.

Открытие реликтового излучения. В 1964 г. советские  ученые Дорошкевич и Новиков  предсказали, что реликтовое излучение можно зарегистрировать на длинах волн от нескольких сантиметров до нескольких миллиметров, где вклад свечения галактик незначителен. В 1964 году радиофизики Вильсон и Пензиас обнаружили сигнал, уровень которого не зависел ни от направления на небе, ни от сезона, когда проводились наблюдения. Теоретик Принстонской группы Дикке с коллегами сразу поняли, что Пензиас и Вильсон зарегистрировали тепловое излучение ранней Вселенной.  За это открытие в  1978 году они получили Нобелевскую премию. Для количественного описания первых минут Вселенной необходимо установить точное значение температуры реликтового излучения и возможные ее колебания на отдельных участках неба. С этой целью было проведено 50 экспериментов. Наиболее точно и полно эту задачу удалось решить с помощью спектрометрамикроволнового и дальнего инфракрасного диапазона, который установили на космической обсерватории COBE, созданной американским аэрокосмическим агентством и выведенным на гелиосинхронную орбиту в 1989 г. Было доказано, что спектр реликтового излучения одинаков по всему небу в широком диапазоне длин волн (0,05-10 см). Он соответствует температуре Т=2,727±0,002К. Задача была чрезвычайно сложной: такие измерения можно провести, лишь охладив аппаратуру телескопа до 1,5 К, а из полученной карты микроволнового  фона необходимо «вычесть» излучение огромного количества более близких источников, которые в данном случае являются помехами. Значимость результатов этих исследований для космологии подтверждена присуждением Нобелевской премии по физике за 2006 г. Джону Мазеру, автору идеи и руководителю проекта.

Открытие реликтового излучения стало окончательным доказательством нестационарной модели Вселенной, теоретически предсказанной Фридманом и экспериментально подтвержденной Хабблом.

Высокая изотропность и однородность реликтового излучения указывает на существование еще одной важной стадии расширения Вселенной — т.е. «инфляции».

Имеется целый ряд фактов, говорящих о свойствах Вселенной сегодня и в относительно недалеком прошлом. Вселенная в целом однородна: все области во Вселенной выглядят одинаково. Разумеется, это не относится к небольшим областям: есть области, где много звезд— это галактики; есть области, где много галактик,— это скопления галактик; есть и области, где галактик мало, — это гигантские пустоты. Но области размером 300 миллионов световых лет и больше выглядят все одинаково. Об этом однозначно свидетельствуют астрономические наблюдения, в результате которых составлена «карта» Вселенной до расстояний около 10 млрд. световых лет от нас. Эта «карта» позволяет определить, как именно распределено вещество во Вселенной.

На рис. 4, приложение 2 показан фрагмент этой карты, охватывающий относительно небольшой объем Вселенной. Видно, что во Вселенной имеются структуры довольно большого размера, но в целом галактики «разбросаны» в ней однородно.

Вселенная расширяется: галактики удаляются друг от друга. Пространство растягивается во все стороны, и чем дальше от нас находится та или иная галактика, тем быстрее она удаляется от нас. Плотность вещества во Вселенной убывает с течением времени, и в будущем Вселенная будет всё более и более разреженной. Наоборот, раньше Вселенная была гораздо более плотной, чем сейчас.

Вселенная «теплая»: в ней имеется электромагнитное излучение, характеризуемое температурой Т=2,725градусов Кельвина. В процессе расширения Вселенная остывает, так что на ранних стадиях её эволюции температура, как и плотность вещества, была гораздо выше, чем сегодня. В прошлом Вселенная была горячей, плотной и быстро расширяющейся.

3.ДОРОГА К ТЕОРИИ ИНФЛЯЦИИ

Как родилась эта теория? Все началось с двух кажущихся парадоксов ранней Вселенной (разрешению которых сможет помочь открытие гравитационных волн).

Сегодня под «Стандартной моделью» вселенной понимается модель, отвечающая концепции Большого взрыва из состояния сингулярности, прошедшая стадию инфляции (раздува). Сингулярность – состояние сверхплотного вещества перед Большим взрывом.

Основное положение теории Большого Взрыва заключается в том, что около 13,7 млрд. лет назад она возникла из бесконечно малой области размером 10-33 см3, при плотности вещества в ней 1093 г/см3 с бесконечно большой температурой около 1032К. Это состояние называется сингулярностью.

В настоящее время хорошее подтверждение получила единая теория поля. Возможность объединения всех видов взаимодействий связана с температурой вещества. Согласно современным данным, объединение трех взаимодействий («великое объединение») наступает при температуре 1028К, а так называемое «величайшее объединение» или «суперобъединение» наступает в условиях объединения всех четырех взаимодействий при температуре 1032К. Последнее условие может быть достигнуто как раз в самой начальной фазе существования вещества во вселенной до момента расширения, то есть, в состоянии сингулярности.

Первая загадка относилась к свойствам крупномасштабной геометрии Вселенной. Сформировавшись в результате Большого взрыва около 13,8 млрд. лет назад, Вселенная на протяжении всей свой жизни расширяется. Однако даже после такого длительного периода расширения Вселенная остается практически плоской. Мы живем в трехмерной плоской Вселенной, в которой лучи света (в среднем) распространяются по прямым линиям.

Проблема в том, что плоскостность Вселенной маловероятна с точки зрения общей теории относительности. Если вещество или излучение - доминирующие формы энергии Вселенной, то небольшие отклонения от плоскостности с расширением будут только нарастать. Даже крошечное отклонение от плоскостности в ранней Вселенной привело бы к настоящему моменту к тому, что Вселенная была бы либо открытой (геометрия седловой поверхности), либо замкнутой (геометрия сферы). Для того чтобы Вселенная была плоской сегодня, необходимо, чтобы она была с огромной точностью идеально плоской в далеком прошлом.

Второй парадокс заключается в том, что Вселенная выглядит одинаково во всех направлениях: она изотропна. Это очень странно. Области внутри нашей Вселенной (превосходящие размерами три градуса) никогда не сообщались друг с другом ни сейчас, ни в прошлом (они причинно не связаны). Но тогда каким же образом они стали такими похожими?

В 1980 г. молодой физик Алан Гут размышлял над этими двумя парадоксами и нашел решение: наша  Вселенная могла стремительно раздуться сразу же после Большого взрыва. Гут пришел к модели, которую назвал «инфляционной», размышляя о ключевом разделе физики элементарных частиц, а именно о спонтанном нарушении симметрии в стандартной модели и о последовательном обособлении физических взаимодействий при таких нарушениях.

Имеется доказательство, что спонтанное нарушение симметрии имело место во Вселенной по крайней мере один раз. Согласно теории электрослабого взаимодействия, два фундаментальных физических взаимодействия — электромагнитное и слабое — предстают перед нами различными из-за некоего «катаклизма» в ранней Вселенной. Когда-то давно эти взаимодействия были единым целым.

Вселенная с расширением охлаждалась. Когда Вселенной было от роду несколько миллионных долей от одной миллионной доли секунды, то произошел фазовый переход (сродни тому, как происходит образование кристалликов льда в охлаждаемой жидкости), который изменил природу пустого пространства-времени. Вселенная не была на самом деле пустой, она была заполнена особым фоновым полем (аналогией могло бы послужить

электрическое поле, но тип данного поля был очень труден для обнаружения). Это фоновое поле, известное как поле Хиггса, было «выработано» всей Вселенной.

Поле Хиггса влияет на распространение частиц в пространстве. Те частицы, которые взаимодействуют с этим полем (например, те, которые выступают переносчиками слабого взаимодействия), испытывают сопротивление и, следовательно, проявляют себя уже как массивные частицы. Другие частицы, которые не взаимодействуют с этим полем (например, фотон — переносчик электромагнитного поля), остаются безмассовыми. Таким образом, сила слабого взаимодействия и электромагнитная сила начинают обладать разными свойствами, нарушая симметрию, которая объединяла их. Эта удивительная модель была подтверждена на Большом адронном коллайдере (БАК) в СЕRN в 2012 г. с открытием бозона Хиггса.

Возможно, похожее нарушение симметрии могло случиться и в более ранней Вселенной. Силы электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий были объединены в одну. Только гравитационные силы стояли особняком. Действительно, существует множество косвенных подтверждений существованию такого объединения, когда Вселенной было   10-36секунд отроду. С охлаждением Вселенной могли происходить процессы фазовых переходов, спонтанные нарушения симметрии, которые меняли природу пространства, вовлекая фоновое поле, которое заставило электрослабые взаимодействия вести себя иначе, чем сильные взаимодействия.

Открытие бозона Хиггса показывает, что его энергетическое поле присутствует в каждой точке Вселенной и придает массу элементарным частицам. Это означает, что вакуум «пустого» пространства — очень бойкое место, где и энергия бозона Хиггса, и виртуальные частицы формируют сложную динамику. Но тогда кто-то, возможно, спросит, действительно ли вакуум стабилен, или какое-то несчастливое квантовое событие, возможно, запустит однажды катастрофический переход от нашей Вселенной к чистому состоянию. Суперсимметрия действует как стабилизатор вакуума и предотвращает такие неприятности. Но без суперсимметрии стабильность вакуума очень сильно зависит от массы бозона Хиггса: более тяжелый бозон Хиггса предполагает стабильную Вселенную, тогда как более легкий в конечном итоге предполагает ее гибель. Примечательно, что измеренная масса бозона Хиггса приходится ровно на грань, что предполагает долгоживущий, но в итоге все же нестабильный вакуум. Природа пытается нам что-то сказать, но мы не можем ее понять.

Открытие бозона Хиггса (частицы Бога) предрекло судьбу Вселенной. Стоит отметить, что она оказалась весьма печальной: Вселенная лопнет. Подобный конец предрекают расчеты, которые стали возможны после того, как физики определили массу бозона  Хиггса (126 гигаэлектронвольт). Подставив ее в свои формулы, американский физик-теоретик Джозеф Ликкен из лаборатории имени Энрико Ферми пришел к выводу, что Вселенную убьет случайное событие. Например, «пузырек» образовавшейся новой Вселенной, который начнет расти и уничтожит все вокруг. Правда, произойдет это очень не скоро – через несколько десятков миллиардов лет. К тому моменту Земли уже не будет. Через 4,5 миллиардов лет ее поглотит раздувшееся Солнце. Что произойдет с разумом, неизвестно. Ликкен подчеркнул, если бы масса бозона Хиггса отличалась от определенной всего на несколько процентов, будущее Вселенной было бы более радужным.

Так же как и в случае поля Хиггса, нарушающее симметрию гипотетическое поле должно порождать экзотические и очень массивные частицы, но вовлеченные в этот процесс массы должны быть гораздо больше, чем масса хиггсовской частицы. Фактически это означает, что для прямого поиска соответствующих экспериментальных подтверждений необходимо создать ускоритель в 10 млрд. раз мощнее, чем БАК. Требующая такой проверки теория носит название теории великого объединения, поскольку она дает единое описание трем типам физических взаимодействий, исключая только гравитационное.

Спонтанное нарушение симметрии в ранней Вселенной могло бы, по мнению Гута, решить все проблемы стандартной теории Большого взрыва, если бы только поле, отвечающее за такое нарушение симметрии, смогло хотя бы короткий промежуток времени побыть в метастабильном состоянии.

Вода переходит в метастабильное состояние, когда внешняя температура быстро падает ниже точки замерзания воды. При таких условиях вода не замерзает сразу. Когда же она все-таки наконец замерзнет (полностью завершится фазовый переход), то выделит тепло, называемое скрытой теплотой.

Схожим образом поле, вызывающее фазовые переходы в теории великого объединения, могло бы передать энергию в окружающее пространство. Во время краткого периода инфляции эта энергия могла создать гравитационное отталкивание, которое заставило Вселенную расширяться экспоненциально быстро. Благодаря этому расширению к сегодняшнему моменту Вселенная могла увеличить свой размер на 25 порядков за промежуток времени 10-36 с. Такое стремительное расширение может обеспечить наблюдаемую сегодня плоскостность и изотропию Вселенной, успешно разрешив два обсуждаемых выше парадокса.

Несмотря на убедительность теории инфляции, ученые до сих пор не знают, как именно она происходила. Причина этого — большая неопределенность в наших знаниях об объединении взаимодействий и прежде всего о шкалах энергий, сопровождавших это объединение. Простейшие варианты теории инфляции объясняют многое из того, что мы наблюдаем в современной Вселенной. Однако различные инфляционные модели могут порождать сильно отличающиеся друг от друга миры.

Для того чтобы доказать, была ли инфляция, необходимо отыскать способ непосредственного, прямого исследования ранней Вселенной. Другими словами, исследовать физические процессы, характерные для тех далеких времен. Оказывается, гравитационные волны предоставляют ученым такую возможность.

4. СЛЕДЫ ГРАВИТАЦИОННЫХ ВОЛН

Альберт Эйнштейн, опубликовав в 1915 г. общую теорию относительности, понял, что она приводит с новым интереснейшим физическим феноменам. В общей теории относительности гравитационное поле — это рябь фонового пространства-времени. Источник энергии, переменный во времени (например, планета, двигающаяся вокруг своей звезды, или двойная звездная система), должен генерировать искажения метрики, также переменные во времени, распространяющиеся от этого источника со скоростью света. Если в окрестности проходят гравитационные волны, то расстояние между объектами указанных систем будет немного меняться.

Поскольку гравитационное взаимодействие очень слабо в сравнении с электромагнитным, то гравитационные волны очень трудно зарегистрировать. Эйнштейн даже сомневался, можно ли их вообще будет когда-нибудь уловить. Спустя почти 100 лет после предсказания гравитационных волн ученые все еще не могут измерять их непосредственно. Самые хорошие кандидаты, чьей колоссальной мощности должно быть достаточно для регистрации гравитационных волн, — это системы двух сливающихся черных дыр. Но исследование таких катастрофических астрофизических феноменов пока к успеху не привели. К счастью, Вселенная может предложить более мощный источник гравитационных волн — флуктуирующие квантовые поля, рожденные в первые моменты после Большого взрыва.

Когда Вселенная была очень молода, до начала инфляционной стадии, она была упакована в объем, много меньший размеров атома. На таких крошечных масштабах доминировали законы квантовой физики. Однако, поскольку в таком объеме сосредоточена и гигантская энергия, то описание процессов с необходимостью требует релятивистской теории. Для понимания физических свойств ранней Вселенной необходимо использовать квантовую теорию, в то же время описывающую пространство и время. Согласно квантовой теории поля, на очень малых масштабах все квантово-механические поля флуктуируют. (Флуктуа́ция (от  лат. fluctuatio — колебание) — термин, характеризующий любое колебание или любое периодическое изменение. В квантовой механике — случайные отклонения от среднего значения физических величин, характеризующих систему из большого числа частиц). Если все другие квантовые поля ведут себя похожим образом, в то время как плотность инфляционной энергии управляет расширением Вселенной, то гравитационные поля могут также обладать флуктуациями.

Во время инфляционного экспоненциального расширения все начальные квантовые флуктуации с малыми длинами волн окажутся сильно растянутыми. Если длины волн становятся достаточно большими, то время, необходимое такой флуктуации для осцилляции (периодический во времени и/или пространстве процесс изменения чего-либо; колебание), будет становиться больше, чем возраст Вселенной. Квантовые флуктуации будут как бы «вмороженными» до тех пор, пока Вселенная не станет достаточно старой, чтобы наступило время для следующей осцилляции. Во время инфляционной стадии вмороженные осцилляции будут расти: процесс, которые усиливает начальные квантовые осцилляции в классические гравитационные волны.

В то время, когда Гут предложил свою инфляционную модель, советские физики А.А. Старобинский, В.А. Рубаков, М.В. Сажин и их коллеги независимо отметили, что во время инфляции всегда образуется гравитационно-волновой фон, а интенсивность гравитационных волн определяется энергией, заключенной в инфляционном поле. Другими словами, если мы сможем обнаружить гравитационные волны, идущие от инфляционной стадии, то мы не только получим подтверждение того факта, что инфляция действительно была, но также сможем глубже понять квантовые процессы, которые породили инфляцию.

 Обнаружить гравитационные волны  может помочь космическое микроволновое фоновое излучение. Это реликтовое излучение образовалось в ранней Вселенной, когда та остыла настолько, что протоны захватили электроны, сформировав нейтральные атомы, а фотоны смогли распространяться свободно. Вселенная стала прозрачной для излучения, и это первое, самое старое реликтовое излучение сейчас доступно наблюдениям. Если гравитационные волны существовали в больших масштабах в то время, когда родилось реликтовое излучение (Вселенной тогда было 380 тыс. лет), то его следы могут «отпечататься» на этом излучении. Температура реликтового излучения была бы чуть выше по одним направлениям и чуть ниже по другим — за счет того, что крупномасштабные гравитационные волны немного растягивали пространство в одном направлении и немного сжимали в другом. Если эффект достаточно большой, то должна наблюдаться характерная анизотропия реликтового излучения, которая может быть обнаружена. Кроме того, гравитационные волны могут порождать и более тонкий эффект. Чуть искажая метрику пространства, гравитационные волны служат причиной рассеяния фотонов реликтового излучения на электронах, в результате чего реликтовое излучение становится поляризованным.

Поляризация представляется в виде так называемых Е- и В-мод. В-мода, имеющая закрученный вид, ассоциируется с гравитационными волнами. Е-моду могут порождать другие источники.

За прошедшее десятилетие было разработано много экспериментов, как наземных, так и космических, предназначенных для поиска гравитационных волн, этого «святого Грааля» инфляции.

Поскольку наблюдатели уже измерили температурные флуктуации космического микроволнового излучения, исследователи представляют свои результаты в терминах отношения сигнала возможной поляризации от гравитационных волн к величине измеренного сигнала температурных флуктуаций. В литературе это отношение обозначается буквой r.

Новые результаты

Европейское космическое агентство миссии Р1апск объявило, что, согласно их измерениям, допустимый интервал для величины r меняется от нуля (что соответствует отсутствию гравитационных волн) до 0,13. Весь научный мир был взбудоражен сенсацией в марте 2014 г., когда команда расположенного на Южном полюсе эксперимента по изучению космической внегалактической поляризации (ВICЕР2) объявила об обнаружении r порядка 0,2, повысив предел, полученный Р1апск. Это означало, что гравитационные волны существуют.

Они, могли возникнуть только на стадии инфляции — сверхбыстрого раздувания Вселенной, когда ей было примерно 10–32 секунды от роду. Результаты BICEP2 не только впервые подтверждают важное предсказание инфляционной теории, но и открывают новую главу в наблюдательной космологии — с важными последствиями не только для астрофизики, но и для физики элементарных частиц. 

Результат BICEP2 — если он действительно подтвердится — впервые открывает возможность экспериментальной проверки свойств Вселенной в эпоху космической инфляции, отстоящую от момента Большого взрыва на ничтожную долю секунды. Теория инфляционной вселенной, остававшаяся до сих пор любопытной, захватывающей воображение, пусть правдоподобной — но всё-таки гипотезой, превратилась в факт биографии нашей реальной Вселенной. Последствия для астрофизики и для физики элементарных частиц — огромны.

Намного более важным является то, откуда взялись эти гравитационные волны в ранней Вселенной, что является их источником, о чём они рассказывают. Гравитационные волны здесь выступают в роли инструмента исследования ранней Вселенной, который позволяет заглянуть поверх физических барьеров в ту далекую эпоху, до которой даже близко «не добивают» никакие иные методы наблюдения. Если результат BICEP2 и его интерпретация действительно верны, они дают нам сразу несколько важнейших новых знаний об устройстве нашего мира.

Обнаружено, что в ранней Вселенной были довольно сильные первичные гравитационные волны, и получена оценка интенсивности этих волн. Считается, что эти первичные гравитационные волны могли возникнуть только во время стадии инфляционного раздувания Вселенной.

Таким образом, инфляция — это уже не фантазия и не абстрактная математическая теория, а реальное фундаментальное свойство нашего мира. Более того, это свойство теперь доступно экспериментальному изучению. Уже первые измерения интенсивности первичных гравитационных волн отдают предпочтение одним моделям инфляции, закрывают другие и, конечно же, отбрасывают альтернативные варианты возникновения Вселенной, например воспламеняющаяся Вселенная.

Инфляция должна вызываться инфлатонным полем, которого, по-видимому, нет в Стандартной модели физики элементарных частиц. Результат BICEP2 — подтверждение того, что это поле существует.

Наличие этого поля и измеренная интенсивность гравитационных волн намекают на то, что существует Новая физика на масштабе порядка 1016 ГэВ. Этот энергетический масштаб до боли напоминает теоретически предсказанный масштаб Великого объединения, то есть объединения сильного, слабого и электромагнитного взаимодействия в рамках единой теории. Следует ли из этого делать какие-то далеко идущие выводы — вопрос открытый.

И гравитационное поле, и инфлатонное поле тоже испытывают квантовые флуктуации, которые инфляция раздувает до огромных размеров. Без квантовых флуктуаций гравитационного поля не было бы сильных первичных гравитационных волн. Поэтому результат BICEP2 можно считать экспериментальным подтверждением квантовой гравитации, пусть и косвенным.

Если результат BICEP2 выдержит проверки — как экспериментальные, на других установках, так и теоретические, — он станет самым громким космологическим открытием как минимум с 1998 года, когда было обнаружено ускоренное расширение Вселенной. Более того, это открытие повлияет не только на астрофизику, но и на фундаментальную физику микромира. Для современной физики элементарных частиц, которая сейчас задыхается в плену Стандартной модели, это станет редким глотком свежего воздуха, надеждой на обнаружение Новой физики.

Что скрывают гравитационные волны?

Если сигнал В1СЕР2 будет подтвержден, то замочная скважина нашего эмпирического опыта о процессах в ранней Вселенной превратится в широкое окно. Гравитационные волны настолько слабо взаимодействуют с веществом, что они могут путешествовать почти свободно от начала времен. Открытие гравитационных волн могло бы не только наблюдательно подтвердить одно из фундаментальных положений общей теории относительности, но и непосредственно донести до нас сигнал из тех областей пространства, когда Вселенной было 10 -36 секунд отроду- на 49 порядков раньше, чем образовалось реликтовое излучение. Последнее на сегодняшний момент выступает единственным источником информации о ранней Вселенной.

Если обнаруженный сигнал - действительно след от инфляционной стадии, то наши знания об устройстве Вселенной существенно расширятся. Во-первых, предполагаемая (из наблюдений) мощность гравитационно-волнового сигнала будет означать, что инфляция произошла в том месте энергетической шкалы, которое близко к моменту объединения трех негравитационных сил фундаментальных взаимодействий. А это верно, только если верны наши предположения о так называемой суперсимметрии в природе. Существование суперсимметрии, в свою очередь, может быть обосновано наличием множества новых частиц с массами в диапазоне, который доступен на БАК (когда он снова включится в 2015 г.). Таким образом, если данные В1СЕР2 верны, то следующий год окажется знаковым для физики элементарных частиц.

Существует и другое, менее спекулятивное приложение к открытию инфляционных гравитационных волн. Как было сказано выше, такие волны должны генерироваться, когда первичные квантовые флуктуации в гравитационном поле усиливаются во время инфляции. Но если это так, то гравитация должна найти описание в рамках квантовой теории. Это утверждение очень важно, потому что в настоящий момент у нас есть не слишком хорошая (плохо определенная и довольно противоречивая) квантовая гравитация, т.е. мы не обладаем теорией, способной описывать гравитацию с помощью правил, применимых для описания вещества и энергии на очень малых масштабах. Теория струн — возможно, один из лучших кандидатов на роль такой теории, однако до сих пор нет свидетельств в пользу того, что эта теория верна. Кроме того, как отметил Фримен Дайсон из Принстонского института перспективных исследований в Нью-Джерси, не существует прибора, способного регистрировать отдельные гравитоны (гипотетические частицы — переносчики гравитационного взаимодействия), потому что такой прибор должен быть настолько большим и массивным, что он коллапсирует в черную дыру прежде, чем сможет завершить наблюдение. Таким образом, мы никогда не сможем экспериментально убедиться в том, что гравитация обладает квантовой природой. Если гравитационные волны от инфляции действительно удалось обнаружить, то это, казалось бы, будет сделано в обход аргументов Дайсона. Однако если обнаруженные гравитационные волны будут классическими (неквантовыми) объектами, то мы должны путем квантово-механических вычислений определить источник этих волн. Просто наблюдая полет мяча (классического макрообъекта), мы не можем доказать, что его движение определяется квантовой механикой: он бы летел точно так же, если бы квантовой механики не было вовсе. Что нам нужно доказать в случае «классических» гравитационных волн — так это то, что они в отличие от движущегося мячика были инициированы именно квантовыми процессами.

Недавно Фрэнк Вилчек из Массачусетского технологического института и Лоуренс Краусс, используя анализ размерностей, смогли показать, что энергия гравитационно-волнового фона, порожденного только инфляцией, падала бы с уменьшением постоянной Планка. Таким образом, они полагают, что этим доказали квантовую природу инфляционных гравитационных волн.

5. ПОСЛЕДСТВИЯ ДЛЯ МУЛЬТИВСЕЛЕННОЙ

Понимание истоков нашего мира и корректная постановка вопроса, откуда вообще взялась наша Вселенная, — вот цели исследования инфляционного расширения ранней Вселенной при помощи гравитационных волн. Эти глубокие проблемы балансируют на грани метафизики, однако могут быть переведены на язык строгой физики.

Напомним, что инфляция создается неким полем, которое хранит и во время фазового перехода высвобождает огромное количество энергии. Оказывается, характерным свойством инфляции выступает то, что, однажды начавшись, она никогда не должна закончиться и будет раздувать и раздувать Вселенную до бесконечности. При этом никогда не сформируется наблюдаемая нами картина — материя и излучение, не успев толком сформироваться, будут стремительно разлетаться, размазываться. Не будет ни галактик, ни звезд, ни планет, а только стремительно расширяющееся пустое пространство. Другими словами, такой инфляционный сценарий абсолютно не удовлетворяет наблюдательным данным.

Профессор Стэнфордского университета Андрей Линде нашел способ избежать этой проблемы. Он показал, что, как только в какой-нибудь небольшой области пространства после экспоненциального расширения завершится фазовый переход, эта область окажется в состоянии вместить всю наблюдаемую нами сегодня Вселенную. В оставшемся пространстве инфляция может продолжаться вечно. Кое-где будут образовываться небольшие области, где фазовый переход завершился. В каждой такой области, абсолютно и навсегда изолированной от всех других стремительным инфляционным расширением, может происходить свой Большой взрыв с последующим формированием вселенной, в чем-то аналогичной нашей. Это так называемая модель «вечной инфляции». В ней наша Вселенная — часть гораздо большей структуры, которая может быть бесконечной по объему и может содержать любое сколь угодно большое количество не связанных друг с другом вселенных, уже сформированных, формирующихся или тех, которые только будут формироваться. Более того, физические законы в каждом из этого множества миров могут быть очень разными, поскольку фазовые переходы могут происходить разными путями.

Такая гипотеза носит название гипотезы мультивселенной, в которой нашей Вселенной отводится равноправное место в бесконечном наборе других миров. Эта гипотеза может легко объяснить, почему параметры нашей Вселенной именно такие, а не другие, — в противном случае не было бы нас, чтобы задать такой вопрос. Рассуждения такого рода принадлежат разновидности так называемого антропного принципа. Многие ученые относятся к антропному принципу с большим скептицизмом, сетуя, как иногда сильно может приблизиться к метафизике строгая наука, традиционно базирующаяся на математических расчетах и эмпирическом познании мира.

Однако если эксперимент В1СЕР2 (а также БАК и другие эксперименты) позволят исследовать феномены инфляции и великого объединения, то окажется возможным однозначно определить фундаментальные физические законы, управляющие ранней Вселенной при сверхвысоких энергиях и в сверхмалых масштабах. Быть может, будет подтвержден предложенный Линде механизм вечной инфляции. В этом случае мы, хотя никогда не сможем увидеть другие миры, будем знать наверняка, что они все-таки существуют, — подобно тому, как наши предшественники в начале XX в. знали о существовании атома, хотя и не видели его.

Наблюдения и эксперименты по исследованию поляризации реликтового излучения и интерпретация данных продолжаются — и мы не знаем, чем это закончится. Но разве не в такой азартной погоне за тайнами мироздания заключалась и заключается привлекательность науки?

Можно ли создать в маленькой области пространства такие условия, при которых она разовьется во Вселенную, подобную нашей?

Впервые этот вопрос был поставлен в середине 80-х годов прошлого столетия. Возник он в связи с теорией инфляции, которая подразумевает, что маленькая область пространства очень быстро, взрывным образом расширяется за доли секунды до громадных размеров, гораздо больше, чем видимая часть Вселенной.

Тогда на этот вопрос был получен отрицательный ответ. Однако недавно появились новые теории, которые дают надежду на создание «довольно экзотических возможностей», при которых рождение Вселенной в лаборатории будет возможно.

Об этих теориях рассказывает Валерий Анатольевич Рубаков, академик, член Президиума РАН, профессор, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник Института ядерных исследований РАН.

Прошлым летом начался один из самых масштабных проектов по изучению Вселенной. Он основан на данных, получаемых с российского радиотелескопа, запущенного в космос, а также со многих обсерваторий и радиотелескопов в России, Германии, Италии, США, Японии, Нидерландах, на Украине и в других странах. С их помощью ученые надеются получить уникальные данные об устройстве Вселенной. В том числе есть шанс обнаружить так называемые кротовые норы — туннели в другое пространство. Автор идеи и руководитель проекта — корифей российской астрофизики Николай Кардашев.

ЛИТЕРАТУРА

• Grand Unification, Gravitational Waves, and the Cosmic Microwave Background Anisotropy. Lawrence M. Krauss and Martin White in Physical Review Letters, Vol. 69, No. 6, pages 869-872; August 10, 1992.
• Signature of Gravity Waves in the Polarization of the Microwave Background. Uro Seljak and Matias Zaldarriagain in Physical Review Letters, Vol. 78, No. 11, pages 2054-2057; March 17, 1997.
• Statistics of Cosmic Microwave Background Polarization.Marc Kamionkowski, Arthur Kosowsky and Albert Stebbins in Physical Review D, Vol. 55, No. 12, pages 7368-7388; June 15, 1997.
• Primordial Gravitational Waves and Cosmology. Lawrence M. Krauss et al. in Science, Vol. 328, pages 989-992; May 21, 2010.
• A Universe from Nothing; Why There Is Something Rather than Nothing. Lawrence M. Krauss. Free Press, 2012.
• Detection of B-Mode Polarization at Degree Angular Scales by BICEP2. P.A.R. Ade et al. (BICEP2 Collaboration) in Physical Review Letters, Vol. 112, No. 24, Article No. 241101; June 19, 2014.