Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности - Педро Феррейра

Работая над поведением атомов и света в изначальной Вселенной, Пиблс понял, что новые данные способны объяснить механизм формирования галактик после Большого взрыва. Приблизительно оценив возраст Вселенной, плотность атомов и температуру реликтового излучения, Пиблс обнаружил, что масса сколлапсировавших структур, таких как Млечный Путь, могла бы составлять от миллиарда до сотен тысяч миллиардов масс Солнца. Как ранее предположил Гамов, Вселенная на ранних стадиях развития казалась идеальным для возникновения галактик местом.

В своих попытках детально понять процесс формирования галактик Пиблс был не одинок. Аспирант из Гарварда Джозеф Силк утверждал, что коллапсирующие сгустки, в конечном счете сформировавшие галактики, должны были оставить свой след в первичном огненном шаре — слабую мешанину горячих и холодных областей в недавно открытом Пензиасом и Вильсоном реликтовом излучении. Результатам Силка вторили Райнер Сакс и его студент Артур Вольфе в Остине, обнаружившие, что даже в самом большом масштабе на реликтовое излучение будет влиять гравитационное сжатие всей материи во Вселенной. К аналогичному заключению пришла и группа Якова Зельдовича в Советском Союзе. Они показали, что по пульсациям реликтового излучения, сохранившегося с момента, когда возраст Вселенной насчитывал всего несколько сотен тысяч лет, можно смоделировать первые мгновения, приведшие к формированию галактик. Такими вот разными и несогласованными путями физическая космология Гамова и Пиблса начала приносить свои первые плоды.

Пиблс хотел объяснить расширение Вселенной — горячее начало, первичный огненный шар, атомы, гравитационный коллапс — в терминах базового учебника физики, скомбинировав общую теорию относительности с термодинамикой и законами распространения света. Вместе с Джер Ю, своим аспирантом из Гонконга, он написал полный набор уравнений, позволяющих проследить за эволюцией Вселенной от первых моментов после Большого взрыва до наших дней. Вселенная Пиблса начиналась с однородного горячего состояния, в котором практически отсутствовали импульсы, возмущающие изначальную смесь газа и света. Но по мере своего развития эти возмущения наталкивались на давление со стороны беспорядочной липкой плазмы, состоящей из свободных электронов и протонов. Вселенная шла волнами, как поверхность пруда, пока электроны и протоны не объединились друг с другом, сформировав водород и гелий. После этого наступила следующая стадия: атомы и молекулы стали собираться в группы, сжимаясь под действием силы тяжести, образуя рассеянные по пространству-времени крупицы массы и света. Это были возникшие после Большого взрыва галактики и галактические скопления.

В модели Пиблса и Ю способ распределения галактик по пространству-времени, определяющий крупномасштабную структуру Вселенной, несет на себе отпечаток горячего начала Вселенной. Оставшееся от Большого взрыва реликтовое излучение, температура которого, согласно измерениям Пензиаса и Вильсона, равна всего 3° кельвина, должно нести отголосок небольших импульсов, ставших причиной формирования галактик. Решая уравнения Вселенной как согласованное единое целое, Пиблс и Ю нашли новый мощный способ изучения общей теории относительности Эйнштейна: наблюдать, как галактики распределяются в пространстве, образуя крупномасштабную структуру Вселенной, и использовать эту информацию для построения модели начала и развития пространства-времени.

Это была яркая, захватывающая интерпретация, но результаты Пиблса и Ю встретили молчанием. «На нашу статью никто не обратил внимания», — вспоминает Пиблс. Объединив различные области физики, Пиблс и Ю забрели туда, где еще никто не был. Их работу нельзя было однозначно отнести к астрономии, общей теории относительности или фундаментальной физике. С точки зрения Пиблса, отсутствие реакции было в порядке вещей. Он продолжал работать над теорией Вселенной, периодически привлекая к своим странным изысканиям какого-нибудь студента или молодого коллегу, но по большей части проводя свои вычисления самостоятельно.

Когда Пиблс занялся моделью Вселенной, ему потребовались экспериментальные данные, чтобы понять, в верном ли направлении он двигается. В начале 1950-х работающий в Техасе французский астроном Жерар де Вокулер, просматривая заслуживающий внимания каталог Шепли-Эймса, включающий в себя свыше тысячи галактик, обнаружил растянутый по небу «поток галактик», превышающий любое скопление и больше напоминающий «сверхскопление», или «сверхгалактику». Эту работу принимали не очень хорошо. Астроном из Калтеха Вальтер Бааде пренебрежительно отзывался о результатах Вокулера, сказав: «Доказательств существования сверхгалактик нет», так же как и Фриц Цвики, который попросту заявил: «Сверхгалактик не бывает». Скептически отнесся к данным Вокулера и Пиблс, но как вспоминает один из его студентов, он придерживался взглядов своего учителя Боба Дикке, гласивших, что «хорошее наблюдение стоит больше еще одной посредственной теории». Поэтому вместе со своими протеже он решил самостоятельно нанести на карту крупномасштабные структуры. А когда молодые исследователи из Гарварда Марк Дэвис и Джон Хукра и в самом деле обнаружили в создаваемых ими более четких обзорах галактик плотные вкрапления, Пиблс был «ошарашен». Как он признавался: «Я написал ряд ядовитых статей с примерами из прошлого, демонстрирующими, как астрономов вводила в заблуждение тенденция… находить в шумах регулярные структуры. Было ясно, что требовалось понять механизм формирования структур». Со временем он обнаружил, что галактики и в самом деле упорядочены в огромную мозаику из стен, нитей и скоплений. Впоследствии это явление назвали ячеистой структурой. Предсказанная в компьютерной модели Пиблса крупномасштабная структура стала проявляться в реальном мире.

В 1979 году Стивен Хокинг в соавторстве с южноафриканским релятивистом Вернером Израэлем пишет работу «Общая теория относительности: обзор к столетию Эйнштейна». В ней они объединили главные космологические исследования, черные дыры и квантовую гравитацию. Свой вклад в виде эссе «Космология большого взрыва — загадки и панацея» внесли Боб Дикке и Джим Пиблс. Эссе было коротким. На нескольких страницах Дикке и Пиблс рассказали, какие фундаментальные проблемы, на их взгляд, присутствуют в удивительно успешной теории.

Что же было не так? Для начала Вселенная казалась слишком однородной. В прошлом предпринимались попытки объяснить этот факт, но Дикке и Пиблс не нашли ни одного объяснения, которое бы их удовлетворило. Более того. Почему геометрия пространства в отличие от геометрии пространства-времени выглядит так просто? Казалось, что пространство не искривляется и к нему применимы правила изучаемой в школах геометрии Евклида. Все выглядело так, как будто во всех случаях соблюдались правила о параллельных прямых, которые никогда не пересекаются, и сумме углов треугольника, составляющих 180 градусов. Общая теория относительности допускает Вселенную без пространственной кривизны, но это частный случай. Уравнения Эйнштейна предсказывают, что в процессе эволюции кривизна Вселенной должна быстро увеличиваться. Поэтому если современная Вселенная почти лишена кривизны, значит, в прошлом кривизна была еще меньше. Вселенная, в которой мы живем, выглядит совершенно неправдоподобно. В конце концов, откуда-то должны были появиться заполнившие небо галактики и сформированные из них структуры. В момент Большого взрыва тенденция Вселенной к расширению должна была оказаться достаточной для компенсации силы тяжести и предотвращения коллапса пространства-времени, но вряд ли этого хватило бы, чтобы пространство-время разлетелось в пустом вакууме. Смысл статьи сводился к простому вопросу: что произошло в самом начале?

За материалом Дикке и Пиблса следовала короткая статья Якова Зельдовича. В ней он размышлял о ранней Вселенной, повторяя рассуждения, впервые изложенные аббатом Леметром при рассмотрении первичного атома. Горячая стадия сопровождалась множеством интересных явлений, которые могли оказать влияние на эволюцию Вселенной и сказаться на ее современном состоянии. Прояснить эти явления Зельдович призывал сообщество ученых и релятивистов, занимающихся физикой элементарных частиц.

Статьи Дикке, Пиблса и Зельдовича оказались пророческими. Всего через год простое предположение об эволюции ранней Вселенной перевернет космологию с ног на голову.

В общем виде идея носилась в воздухе, но именно Алан Гут, научный сотрудник Стэнфордского центра линейного ускорителя, выдвинул идею космической инфляции. Гут понял, что в соответствии с некоторыми крупными обобщенными теориями — теориями, пытающимися объединить электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия в одну всеобъемлющую силу, — Вселенная могла застрять в состоянии, когда одно из полей становится необычайно сильным и начинает доминировать над всем остальным. В этом состоянии Вселенная будет вынуждена быстро расшириться. Несмотря на ошибочность исходной идеи Гута — у Вселенной, застрявшей в подобном состоянии, нет способов из него выйти, — ученые быстро начали предлагать другие гипотезы инфляционного расширения. Идея инфляции Вселенной открыла перед космологами новую дорогу, показав в прошлом Вселенной период, который следовало изучить. Появилась теория, точно предсказавшая, какой должна была быть Вселенная в начале формирования ее структур. И казалось, она решила вопрос, поднятый Дикке и Пиблсом. В первую очередь теория инфляции дает толчок к пониманию механизма мгновенной потери кривизны. Представьте, что у вас в руках воздушный шар, который вы при помощи помпы можете быстро и практически мгновенно надуть до размеров Земли. После этого расположенный перед вашим носом фрагмент шара с вашей точки зрения будет казаться совершенно плоским. Аналогичным образом Вселенную к крайне однородному и примитивному состоянию ведет инфляция. Любые крупные фрагменты массы и естественным образом разнообразящие ландшафт пространства-времени пустоты будут разбросаны на расстояния, недоступные нашему наблюдению. А еще инфляция показывает, каким способом мог быть дан толчок росту структуры в ранней Вселенной. В период интенсивной инфляции микроскопические квантовые флуктуации в ткани пространства-времени могли растянуться и оставить свой отпечаток в большем масштабе.