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

Всего через три года после открытия микроволнового фона астрофизик из Кембриджского университета Мартин Рис предсказал, что реликтовое излучение может быть поляризовано, если свечение первичной плазмы содержало незначительные отклонения от идеальной однородности {13} . Как мы видели в 6-й главе, поскольку свет, окружавший электроны в плазме в момент последнего рассеяния, не был абсолютно изотропным — идеально однородным, рассеянный свет мог стать поляризованным, даже если изначально он был неполяризован. Именно это и обнаружилось в ходе эксперимента DASI.

Необходимое количество анизотропии могло образоваться самыми разными путями, но гравитационные волны, вызванные инфляцией, особенно интересны. Двигаясь со скоростью света, гравитационные волны сжимают пространство-время в одном направлении и растягивают в перпендикулярном. Соответственно, первичные гравитационные волны могли сжать и растянуть первичную плазму таким образом, что вдоль оси сжатия фотоны стали немного горячее (и сместились в синюю сторону спектра), а перпендикулярно этой оси, наоборот, немного холоднее (и сместились в красную сторону), как показано на рис. 38.

В 1985 году российский астрофизик Александр Полнарев, который позже стал моим наставником, пришел к выводу, что чередующееся асимметричное сжатие и растяжение пространства-времени, вызванное гравитационными волнами, неизбежно должно индуцировать закручивающуюся, «вихревую» структуру в ориентации поляризации древнего света. Полнарев предположил, что эту вихревую поляризацию в принципе можно обнаружить экспериментальным путем. По сути, такая уникальная структура поляризации (рис. 39) должна быть признаком инфляции, поскольку она может существовать только в одном случае: если космологические гравитационные волны взаимодействовали с первичной плазмой в момент излучения фотонов микроволнового фона. Впоследствии эта вихревая структура была названа В-модой поляризации {14} .

Если первичных гравитационных волн достаточно, B-моды поляризации должны обнаруживать себя в виде реликтового излучения — конечно, если мы могли бы их увидеть (рис. 40). И это стало бы неопровержимым свидетельством инфляции.

Теоретически история инфляции прояснилась. Получился настоящий детектив, где главный подозреваемый — инфлатон; его тайное убежище и поведение в первые доли секунды от начала времен были раскрыты (рис. 41). Оставалось лишь найти «дымящийся пистолет» — гравитационные волны, которые обеспечили бы неопровержимые улики. А дымком из пистолета стали знаменитые завихрения B-мод.

Именно это я отчаянно желал увидеть с помощью телескопа, который проектировал, будучи постдоком. Я надеялся, что BICEP станет очками для чтения величайшей из когда-либо рассказанных историй.

Казалось, между экспериментальной космологией и инфляционной моделью существует некий сговор: все полученные наблюдательные данные свидетельствовали в пользу этой теории. Открытый Пензиасом и Уилсоном космический микроволновый фон предполагал, что Вселенная пережила расширение и охлаждение, — инфляция объясняла причину. COBE обнаружил крошечные флуктуации в безликом, казалось бы, реликтовом излучении — это было предсказано инфляционной моделью. Эксперимент BOOMERanG убедительно показал, что наша Вселенная — абсолютно плоская, и это тоже вписывалось в картину инфляции. Реликтовое излучение уподобилось игровому автомату в Стокгольме, щедро раздающему золотые призы.

Между тем признаки расширения, плоскостности и однородности, обнаруженные в наблюдаемых данных о реликтовом излучении, были необходимым, но недостаточным условием доказательства инфляции. Вот почему B-мода поляризации так волновала: это был лучший шанс на Нобелевскую премию.

На самом деле открытие поляризации В-типа должно было принести не одну, а как минимум три Нобелевские премии, рассуждал я. Одна, разумеется, должна быть присуждена собственно за обнаружение B-мод, что окончательно доказало бы инфляцию и существование ее нового скалярного поля — инфлатона. (Открытие нового скалярного поля, позволившее предсказать бозон Хиггса, уже привело к Нобелевской премии по физике 2013 г.) Вторая премия должна была достаться за косвенное обнаружение первичных гравитационных волн. И третья (по порядку, но не значимости) — за доказательство того, что B-моды в реликтовом излучении вызваны не просто гравитационными волнами, а первичными гравитационными волнами, порожденными квантовыми флуктуациями в инфлатонном поле. Это было бы нашим первым и, вероятно, единственным доказательством квантовой гравитации {1} . Это была не просто космология. И даже не экспериментальная космология. Это была экспериментальная квантовая космология, открытие на все века.