Брайан Китинг - Гонка за Нобелем. История о космологии, амбициях и высшей научной награде

Но что в этом плохого? В конце концов, модель Большого взрыва предполагала, что реликтовое излучение родилось из плазмы, а плазма повсюду одинакова. Разве однородность реликтового излучения не была еще одним доказательством в пользу этой теории? Не совсем. Идеальная однородность реликта создавала проблему: если Вселенная действительно была идеально однородной, почему тогда возникли звезды, галактики и планеты? Если первичная плазма была океаном единообразия, где ни одно место не отличалось от всех остальных, она должна была навечно остаться в таком состоянии. Ничто не могло вызвать процесс конденсации водорода в звезды где-либо во Вселенной. Что-то должно было нарушить идеальную монотонность ранней Вселенной, иначе нас бы сейчас не было.

Не найдя в своих первоначальных данных никаких следов анизотропии — отклонений от абсолютной изотропии — Пензиас и Уилсон не стали копать дальше, решив, что одного знаменательного открытия с них довольно. Прошло еще 27 лет, прежде чем команда COBE (Cosmic Background Explorer) в 1992 году объявила о том, что научная аппаратура на борту спутника наконец-то зарегистрировала анизотропию реликтового излучения. По словам Джорджа Смута, это было все равно что «увидеть лицо Бога» {2} . Отклонения от безупречной гомогенности были чрезвычайно малы: температура реликта изменялась всего на 30 миллионных кельвина по всему небу, т. е. уровень отклонений в 100 000 раз меньше по сравнению с температурой микроволнового фона в 2,7 кельвина (рис. 29).

Как почти каждое новое открытие, результаты COBE вызвали еще больше вопросов. И прежде всего, что создало эти флуктуации?

На самом деле космологи Райнер Сакс и Артур Вулф ответили на этот вопрос еще в 1967 году, всего через два года после открытия реликта. Когда свет проходит вблизи массивного тела, гравитационное поле притягивает его и вызывает смещение в сторону красной части спектра, увеличивая длину волн. Чем больше длина волны фотона — чем краснее свет, тем меньше у него энергии. Сакс и Вулф предположили, что в ранней Вселенной существовали области с большей массой — области с более высокой плотностью, которые оказывали более сильное гравитационное влияние на фотоны реликтового излучения, чем области с низкой плотностью. Этот эффект получил название гравитационного красного смещения. Таким образом, немного более прохладные участки карты микроволнового фона, увиденные COBE в 1992 году, соответствовали тем участкам в первичной плазме, где плотность материи и, следовательно, гравитация были чуть выше среднего, — то была своего рода рябь на ткани пространства-времени. Но эта рябь заставила космологов призадуматься.

Хотя Сакс и Вулф показали, каким образом неоднородные по плотности участки ранней Вселенной могли вызвать колебания температуры реликтового излучения, они не объяснили, как эти флуктуации возникли, не говоря уже о том, почему эти колебания были очень небольшими, но отличными от нуля. Этот незначительный, но ненулевой уровень требуемых отклонений стал известен как проблема однородности модели Большого взрыва.

Проблема горизонта. Температура реликта была почти одинакова повсюду — не только в соседних регионах, но и в тех, что расположены на противоположных сторонах неба. Эти регионы соответствовали участкам Вселенной, которые находятся друг от друга на гораздо большем расстоянии, чем расстояние, которое успел бы преодолеть свет с момента Большого взрыва (рис. 30). Отдаленные регионы космоса имели одинаковую температуру, несмотря на то что никогда не сближались достаточно, чтобы их температура уравновешивалась.

Это необъяснимое наблюдение стало известно как проблема горизонта . Наверное, вы думаете, что «горизонт» подразумевает «край», а это, в свою очередь, означает, что у Вселенной есть «центр»… и мы находимся как раз в нем! Но здесь под «горизонтом» космологи понимают максимальное расстояние, на которое могут быть удалены друг от друга два события, чтобы свет от них успел дойти до наблюдателей на Земле.

Чтобы понять, насколько важна эта проблема, представьте себе магазин бытовой техники, который никогда не закрывается и продает только один товар — мини-печь с фиксированной температурой в 500°. Недостаток разнообразия магазин компенсирует количеством: на его полках стоят тысячи таких мини-печей, и к каждой приставлен свой продавец. Работа продавцов очень проста: они могут только включать и выключать мини-печи, но имеют право делать это, когда захотят.