Рис. 4.8. Радиоастрономия с большим бюджетом (на заднем плане) и с малым (на переднем плане). Во время экспедиции в обсерваторию Гринбэнк в Западной Виргинии мой аспирант Энди Лютомирски возится с электронным оборудованием, спрятанным в палатку от дождя.
Однако главное затруднение при измерении этих различий во времени связано с тем, что вычисления приходится проводить для каждой пары антенн (или ушей), и количество таких пар растет примерно как квадрат числа антенн. Это означает, что если увеличить количество антенн в тысячу раз, стоимость компьютера подскочит в миллион раз! А вы-то хотели, чтобы астрономическим был телескоп, а не бюджет! Поэтому интерферометры до сих пор ограничивались десятками или сотнями антенн, тогда как для томографии на волне 21 см их требуется около миллиона.
Когда я перебрался в Массачусетский технологический институт, мне великодушно позволили присоединиться к американо-австралийскому эксперименту по томографии на волне 21 см, которым руководила моя коллега Джеки Хьюит. На встречах, посвященных нашему проекту, я иногда фантазировал, как бы удешевить строительство огромных телескопов. И вот однажды во время такой встречи в Гарварде у меня в голове щелкнуло: дешевый способ есть!
Омнископ
Я рассматриваю телескоп как машину по сортировке волн. Если вы посмотрите на свою руку и измерите распределение интенсивности света по ней, это ничего не скажет о том, как выглядит ваше лицо, поскольку световые волны от всех участков лица смешиваются в каждой точке кожи руки. Но если рассортировать волны света по направлениям их распространения так, чтобы волны, идущие в разных направлениях, попадали на разные места руки, вы сможете восстановить изображение своего лица. Именно это делает объектив фотоаппарата или телескопа, и глаз, и вогнутое зеркало радиотелескопа на рис. 4.8. В математике сортировку волн называют преобразованием Фурье. Телескоп, по сути, является преобразователем Фурье. И если традиционный телескоп выполняет его аналоговыми средствами, с использованием линз или кривых зеркал, то интерферометр делает это с помощью специального компьютера. Волны сортируются не только по направлениям их распространения, но и по длинам, что в случае видимого света соответствует их цвету. В Гарварде меня посетила идея: построить громадный радиотелескоп, в котором антенны располагались бы не беспорядочно, как в нынешних проектах, а по несложному шаблону. В случае телескопа с миллионом антенн числовой трюк, использующий свойства этого шаблона, позволил бы ускорить необходимые для преобразования Фурье вычисления в 25 тыс. раз. Грубо говоря, телескоп можно было удешевить в 25 тыс. раз.
Мне удалось убедить своего друга Матиаса Салдарриагу в разумности этой идеи. Мы опубликовали на эту тему две статьи, где показали, что основная идея годится для широкого набора различных шаблонов расположения антенн. Предлагаемый телескоп мы назвали омнископом, поскольку он был и всенаправленным (мог получать изображение всего неба сразу), и всеволновым, то есть работал сразу в широком диапазоне длин волн («цветов»).
Эйнштейну приписывают высказывание: «Теория и практика – теоретически одно и то же, но на практике это совсем разные вещи». Мы решили построить небольшой прототип, чтобы убедиться в его работоспособности. Я обнаружил, что базовый принцип омнископа был применен 20 годами ранее группой японских ученых (с иными целями), но электроника того времени заставила их ограничиться 64 антеннами. Благодаря революции сотовых телефонов ключевые компоненты нашего прототипа с тех пор радикально подешевели, и конструкцию стало можно сделать за копейки. Мне также очень повезло с помощниками – группой замечательных студентов Массачусетского технологического института, в том числе электроинженерного факультета, которые могли, словно по волшебству, создавать электронные печатные платы для цифровой обработки сигналов. Один из них, Невада Санчес, научил меня теории магического дыма в электронике, которую мы в дальнейшем подтвердили в ходе экспериментов в лаборатории: электронные компоненты работают, потому что содержат магический дым. Если вы случайно сделаете с ними что-то, из-за чего магический дым выйдет наружу, они перестают работать…
Всю научную карьеру я занимался в основном теорией и анализом данных. Когда я пришел к постановке эксперимента, это оказалось совершенно новым делом – и понравилось мне. Пока наш едва сформировавшийся омнископ ведет себя хорошо, но еще рано говорить, удастся ли нам или кому-либо раскрыть потенциал томографии на волне 21 см. Однако омнископ уже кое-чему научил меня – и это «кое-что» касается меня самого. Наиболее увлекательной частью процесса были экспедиции, когда мы грузили оборудование в фургон и отправлялись в какой-нибудь глухой угол, подальше от радиостанций, сотовых телефонов и других искусственных источников радиоволн. В эти дни моя жизнь, обычно раздробленная электронными письмами, лекциями, заседаниями и семейными обязанностями, сменялась благословенным саториподобным состоянием полной концентрации: никаких телефонных звонков, никакого интернета, никаких пауз, и каждый член команды на 100 % сосредоточен на общей цели. Иногда я думаю, не перебарщивает ли наша эпоха с многозадачностью в повседневной жизни, не следует ли нам исчезать подобным образом чаще, в том числе и по иным причинам. Ну, например, чтобы завершить книгу…
Почему случился Большой взрыв?
Обилие высокоточных данных превратило космологию из умозрительной дисциплины в точную науку. Теперь возраст Вселенной измерен с погрешностью 1 %. Как обычно бывает в науке, мы, отвечая на старые вопросы, наталкиваемся на новые, и я предвижу замечательное десятилетие: космологи всего мира предложат новые теории и поставят новые эксперименты, чтобы пролить свет на природу темной материи, темной энергии и т. д. В гл. 13 мы вернемся к этим поискам и вопросу о судьбе Вселенной.
Для меня самый поразительный урок точной космологии состоит в том, что с момента рождения Вселенной ею управляют простые математические законы. Уравнения, выражающие общую теорию относительности, по-видимому, точно описывают гравитационное взаимодействие на расстояниях от миллиметров до сотен триллионов триллионов (1026) метров, а уравнения атомной и ядерной физики, похоже, точно описывают Вселенную, начиная с одной секунды после Большого взрыва до наших дней, то есть 14 млрд лет спустя. И делают они это не в общих чертах, как уравнения экономики, а с потрясающей точностью (рис. 4.2). Столь точная космология подчеркивает удивительную полезность математики для понимания мира. Мы вернемся к этой загадке в гл. 10 и рассмотрим ее радикальное объяснение.
Другой поразительный урок точной космологии состоит в том, что она неполна. Мы видим, что все наблюдаемое во Вселенной порождено Большим взрывом, при котором почти однородный газ, столь же горячий, как ядро Солнца, расширялся столь быстро, что удваивался в размерах менее чем за секунду. Но кто все это устроил? Я люблю размышлять над «проблемой Большого взрыва»: что сделало Большой взрыв – взрывом? Откуда появился горячий расширяющийся газ? И почему в нем были учтены эти 0,002 % – амплитуда первичных флуктуаций, которые превратились в галактики и крупномасштабную структуру, наблюдаемую в современной Вселенной? Короче, как все это началось? Экстраполяция в прошлое фридмановских уравнений расширяющейся Вселенной приводит к проблемам, а значит, для понимания наших истоков требуются совершенно новые идеи. Об этом мы и поговорим в следующей главе.
Резюме
• Новейшие данные о космическом микроволновом фоне, кластеризации галактик и т. д. превратили космологию в точную науку. Так, мы перешли от споров о том, составляет возраст Вселенной 10 или 20 млрд лет, к спорам о том, составляет он 13,7 или 13,8 млрд лет.
• Эйнштейновская теория гравитации определенно стала рекордсменом по математической красоте среди физических теорий, объяснив гравитацию как проявление геометрии. Она показывает, что чем больше массы содержится в пространстве, тем сильнее пространство искривляется. Кривизна пространства заставляет предметы двигаться не по прямым линиям, а по кривым, закручивающимся в сторону массивных объектов.
• Путем изучения геометрии треугольников размером с Вселенную теория Эйнштейна позволяет определить общее количество массы во Вселенной. Удивительно, но на атомы, которые считались составными частями всего сущего, приходится всего 4 % этой массы, а остальные 96 % остаются необъясненными.
• Недостающая масса призрачна, будучи одновременно невидимой и способной незаметно проходить сквозь нас. Ее гравитационное влияние указывает на то, что она состоит из двух обладающих противоположными свойствами субстанций: темная материя кластеризуется, а темная энергия – нет; темная материя разрежается при расширении, а темная энергия – нет; темная материя притягивает, а темная энергия отталкивает; темная материя помогает образовываться галактикам, а темная энергия – мешает.
• Точная космология открыла, что с момента рождения Вселенной ею управляют простые математические законы.
• Как ни была бы красива классическая модель Большого взрыва, она не годится для самых первых мгновений жизни Вселенной, а значит, для понимания истоков нам предстоит найти другие важные части головоломки.
Глава 5. Наше космическое происхождение
«Онет! Он засыпает!» В 1997 году я делал доклад в Университете им. Тафтса. Легендарный Алан Гут специально приехал из Массачусетского технологического института, чтобы меня послушать. Я не встречался с ним прежде, и присутствие в аудитории такого светила заставляло меня гордиться и нервничать. В основном нервничать, особенно когда его голова начала клониться на грудь, а взгляд стал отсутствующим. Я постарался говорить бодрее и громче. Несколько раз он вскидывался, но вскоре я потерпел фиаско: он отправился в царство снов и не возвращался до конца доклада. Я чувствовал себя опустошенным.
Лишь много позднее, когда мы стали коллегами по Массачусетскому технологическому институту, я узнал, что он засыпает на всех докладах (кроме собственных). Сказать по правде, мой аспирант Адриан Лю говорит, что такое стало случаться и со мной. И с ним самим тоже. Но я этого никогда не замечал, поскольку мы трое отключаемся в одном и том же порядке. Если Алан, я и Адриан сидим рядом, то воспроизводим дремотную версию «волны», популярной у футбольных болельщиков.
Рис. 5.1. Андрей Линде (слева) и Алан Гут (справа) на шведском фестивале раков. Они не в курсе, что я их фотографирую и что им, двум главным архитекторам теории инфляции, придется одеться иначе для церемонии награждения престижными премиями им. Грубера и Мильнера.
Алан настолько же дружелюбен, насколько и умен. Аккуратность, правда, не относится к сильным его сторонам: когда я впервые появился у него в кабинете, то обнаружил на полу толстый слой нераспечатанной корреспонденции. Выбрав наугад конверт, я увидел штемпель десятилетней давности. В 2005 году достижения Алана в этой области были удостоены престижной премии за самый захламленный кабинет в Бостоне.
Что не так с Большим взрывом?
Но эта премия – не единственное достижение Алана. Около 1980 года он узнал от физика Боба Дикке, что во фридмановской модели Большого взрыва существуют серьезные проблемы с самыми ранними стадиями, и предложил радикальное решение, которое назвал инфляцией[16]. Экстраполяция фридмановских уравнений расширяющейся Вселенной назад во времени приводит к огромным успехам: они отлично объясняют, почему далекие галактики разбегаются от нас, и откуда взялся фон космического микроволнового излучения, и как возникли легкие элементы и многие другие наблюдаемые явления.
Вернемся в прошлое, к границе нашего знания, к тому мгновению, когда Вселенная расширялась столь быстро, что в следующую секунду ее размеры удвоились. Уравнения Фридмана говорят нам, что до того Вселенная была еще плотнее и горячее, и этому нет предела. И, в частности, примерно на 1/3 секунды ранее имело место начало, когда плотность нашей Вселенной была бесконечной и все существующее разлеталось друг от друга с бесконечной скоростью.
Вслед за Дикке Алан Гут тщательно изучил эту историю возникновения нашего мира и понял, что она страшно неестественна. Например, на четыре вопроса из числа приведенных в начале гл. 2 она дает такие ответы:
– Что стало причиной нашего Большого взрыва?
– Объяснения этому нет. Уравнения просто учитывают, что это случилось.
– Произошел ли наш Большой взрыв в одной точке?
– Нет.
– Где именно в пространстве произошел наш Большой взрыв?
– Он случился везде, сразу в бесконечном множестве точек.
– Как бесконечное пространство может быть порождено за конечное время?
– Объяснения этому нет. Уравнения просто учитывают, что пространство было бесконечным уже в момент его появления.
Можно ли сказать, что эти ответы раскрывают суть дела и элегантно снимают все вопросы о Большом взрыве? Если нет, то вы в хорошей компании! На самом деле есть еще много вещей, которые фридмановская модель Большого взрыва не может объяснить.
Проблема горизонта
Проанализируем тщательнее третий вопрос из списка. На рис. 5.2 проиллюстрирован тот факт, что температура излучения космического микроволнового фона почти одинакова (с точностью до пятой значащей цифры) во всех направлениях. Если бы Большой взрыв случился в одних областях пространства существенно раньше, чем в других, у этих областей было бы разное время для расширения и остывания и температура на наших картах космического микроволнового фона варьировалась бы от места к месту не на 0,002 %, а почти на 100 %.
Но не мог ли некий физический процесс привести к выравниванию температуры гораздо позднее Большого взрыва? В конце концов, если лить холодное молоко в горячий кофе, не удивительно, что когда вы начнете пить, они станут однородно теплыми. Проблема в том, что процесс смешивания требует времени: необходимо подождать, чтобы молекулы молока и кофе перемешались. Однако у отдаленных частей Вселенной, доступных нашим наблюдениям, не было времени для такого перемешивания (еще в 60-х годах на это обратили внимание Чарлз Мизнер и его коллеги). У областей а и б (рис. 5.2), которые мы видим в противоположных направлениях на небе, не было времени для взаимодействия: даже информация, передающаяся со скоростью света, не успела бы дойти из а в б, поскольку свет от а прошел полпути – до точки, где находимся мы. Это значит, что фридмановская модель Большого взрыва не дает объяснения одинаковой температуры в точках а и б. Получается, что у этих областей было равное время для остывания после Большого взрыва, а отсюда следует, что они независимо испытали Большой взрыв почти в одно и то же время без какой-либо общей причины.
Рис. 5.2. У молекул горячего кофе и холодного молока достаточно времени для взаимодействия и выравнивания температуры. У плазмы в областях а и б не было времени для взаимодействия: даже информация, передаваемая со скоростью света, не успела бы дойти от а до б, поскольку свет от а достиг пока лишь тех, кто пьет кофе на полпути к б. Поэтому с точки зрения фридмановской модели Большого взрыва тот факт, что плазма в областях а и б тем не менее обладает одинаковой температурой, является загадкой.
Чтобы лучше понять, какое недоумение это вызвало у Алана Гута, представьте вот что. Проверив электронную почту, вы обнаружили приглашение на ланч от приятеля, а затем увидели, что все остальные ваши приятели прислали вам по письму с приглашением на ланч и что все до единого письма отправлены одновременно. Вы, вероятно, решили бы, что имеет место сговор и что появление всех этих писем вызвано общей причиной. Возможно, друзья решили устроить вам вечеринку-сюрприз. Для завершения аналогии с загадкой Алана о Большом взрыве, где области а, б, … соответствуют вашим приятелям, добавим, что вам точно известно: ваши друзья никогда не встречались, не связывались друг с другом и не имели доступа к какой-либо общей информации до отправки вам приглашений. Тогда пришлось бы признать это невероятным совпадением. На самом деле, слишком невероятным, так что вы, вероятно, решили бы, что сделали некорректное допущение и ваши друзья все же смогли снестись. И это точно тот вывод, который сделал Алан: то, что бесконечное множество независимых областей пространства испытали Большой взрыв одновременно, не может быть беспричинным совпадением. Должен иметься некий физический механизм, вызывающий и взрыв, и синхронизацию. Один необъясненный Большой взрыв – это уже плохо; бесконечное число необъясненных Больших взрывов, вдобавок прекрасно синхронизированных, – уже ни в какие ворота не лезет.
Это проблема горизонта: она затрагивает то, что мы видим на своем космологическом горизонте – в самых отдаленных областях, доступных для наблюдения. Словно этого мало, Боб Дикке рассказал Алану о втором затруднении фридмановской теории Большого взрыва, которую он назвал проблемой плоской геометрии.
Проблема плоской геометрии