Говерт Шиллинг - Складки на ткани пространства-времени [Эйнштейн, гравитационные волны и будущее астрономии] [litres]

Фотографы хорошо знакомы с поляризацией. Солнечный свет отражается от молекул воздуха и частиц пыли, становясь несколько поляризованным. Если установить перед объективом камеры поворотный поляризующий фильтр, можно сделать небо значительно темнее, что придает изображению особую выразительность.

Конечно, вместо того чтобы фильтровать поляризованный свет, можно изучать его поляризацию для поиска причины этого эффекта. Например, физики, изучающие загрязнение атмосферы, могут измерить силу и направление поляризации солнечного света разных длин волн. Эти данные рассказывают о величине, структуре и составе частиц загрязнителей.

Реликтовое излучение путешествовало по Вселенной 13,8 млрд лет. Поскольку межгалактическое пространство представляет собой практически полный вакуум, реликтовое излучение не должно было сильно поляризоваться. Тем не менее эффект, хотя и крайне слабый, присутствует. Оказывается, реликтовое излучение поляризовано примерно на 1/300 000 долю процента. Это значит, что в любой точке неба реликтовое излучение имеет чрезвычайно слабую тенденцию к колебаниям в определенном направлении.

Столь слабую поляризацию трудно измерить. Представьте, что вы случайным образом рассыпали по полу 60 млн зернышек риса и пытаетесь обнаружить едва выраженное преобладание их ориентации: 29 999 999 зерен ориентированы в пределах 45° по оси восток – запад, а 30 000 001 – по оси север – юг. Примерно такая же чувствительность нужна при измерении поляризации реликтового излучения. Это было впервые сделано DASI в 2002 г.

Откуда взялась эта слабая поляризация? Не вследствие отражения фонового излучения от звезд и планет или его рассеяния межзвездной пылью. Слабая степень поляризации появилась у реликтового излучения в самом начале его путешествия к нам, порядка 13,8 млрд лет назад. Это «отпечаток» неравномерного распределения материи в очень молодой Вселенной. Я уже упоминал о крохотных флуктуациях плотности первичного газа – «зародышах» нынешней крупномасштабной структуры Вселенной. Они привели не только к малым вариациям температуры реликтового излучения («горячие» и «холодные» точки, впервые наблюдаемые COBE), но и к очень слабой степени поляризации в направлениях, различающихся в разных частях неба.

Это все, что нам с вами нужно знать о поляризации реликтового излучения. Перейдем к инфляции, первичным гравитационным волнам и В-моде.

Инфляцией [67] Слово происходит от лат . inflatio – раздувание. – Прим. ред. называется то, что происходило со Вселенной в самую первую мельчайшую долю секунды ее существования. Точнее, космологи полагают , что именно так и было. Это не подтвержденная концепция и даже не зрелая теория, а скорее общепринятое обозначение группы гипотетических сценариев, один из которых может быть истинным. Или, как сказали бы большинство космологов, один из них должен быть истинным. Дело в том, что инфляция – единственное доступное нам решение ряда неустранимых проблем первоначальной теории Большого взрыва.

Не стану вдаваться в подробности, главное – это очень краткий период экспоненциального расширения. Прежде чем Вселенной исполнилось 10 –32секунды (или 0,00000000000000000000000000000001 с), пространство раздулось в два раза примерно 200 раз подряд. В результате расстояния между любыми двумя точками пространства стали примерно в 10 60раз больше начальных значений [68] Вернее e 60 раз, где e = 2,71828… – основание натуральных логарифмов, 60 – это так называемое число e-фолдингов, оцененное по данным миссии Planck. Соответственно число 2 200 , упоминаемое автором, несколько завышено. – Прим. науч. ред. . По окончании невероятно краткой эпохи инфляции началось более знакомое «линейное» расширение Вселенной, идущее гораздо более спокойными темпами. В определенной мере инфляцию можно сравнить с самыми первыми стадиями роста оплодотворенной человеческой яйцеклетки. Сначала количество клеток растет в следующей последовательности: 1, 2, 4, 8, 16 и т. д. К счастью, вскоре экспоненциальный рост прекращается, темпы роста значительно замедляются (иначе вы бы сейчас были больше наблюдаемой Вселенной).

Квантовая механика дает надежное основание верить во «взрыв Большого взрыва», как прозвали инфляцию Вселенной. Более того (опять-таки без углубления в детали), это единственный мыслимый способ объяснить, почему наблюдаемая Вселенная выглядит такой однородной, а пространственно-временной континуум, судя по всему, не имеет глобальной, повсеместной кривизны. Эту идею предложил в 1980 г. Алан Гут, физик-теоретик, в то время работавший в Принстоне [69] Первым идею об экспоненциальном расширении выдвинул Алексей Старобинский из Института теоретической физики им. Л. Ландау в 1979 г. – Прим. науч. ред. . С тех пор ее расширили и изменили, в особенности советско-американский физик Андрей Линде из Стэнфордского университета [70] Первая работа по этой теме была опубликована Линде в 1982 г., когда он работал в ФИАНе. – Прим. науч. ред. . Инфляцию Вселенной трудно себе представить и еще труднее принять на веру, но большинство космологов привыкли к этой модели.