Дискуссия о происхождении Вселенной давно вышла за рамки классической астрономии, заставляя ученых балансировать на тонкой грани между фундаментальной физикой и глубокой философией. В новом выпуске программы Event Horizon ведущий Джон Майкл Годье обсуждает с известным астрофизиком Брайаном Китингом механизмы космической инфляции и технические сложности фиксации реликтового излучения. Центральной темой беседы становится масштабное противостояние гипотезы Мультиверса и теории циклической Вселенной, каждая из которых предлагает свой радикальный взгляд на бесконечность времени, пространства и законов природы.
🌌 В поисках космического «первородного крика» 0:00
Вопрос о том, что происходило в самые первые мгновения Большого взрыва, занимает умы космологов с 1927 года, когда Жорж Леметр впервые предложил концепцию расширяющейся Вселенной. Однако зафиксировать эти мгновения с помощью стандартных астрономических инструментов невозможно. Препятствием служит космический микроволновый фон, или реликтовое излучение (CMB), которое возникло на ранних этапах и сегодня представляет собой своеобразный электромагнитный файрвол, закрывающий обзор молодой Вселенной.
По словам Брайана Китинга, существует альтернативный способ обойти это ограничение — зарегистрировать первичные гравитационные волны, порожденные Большим взрывом. До того как их впервые напрямую обнаружил наземный детектор LIGO в 2016 году, они оставались лишь теоретическим следствием общей теории относительности Эйнштейна. Разработкой сверхчувствительных инструментов для фиксации этих тончайших колебаний пространства и занимается профессор физики Калифорнийского университета в Сан-Диего Брайан Китинг, руководивший созданием эксперимента BICEP (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization).
🌊 Гравитационные волны и эпоха инфляции 4:44
Как объясняет Брайан Китинг, гравитационные волны возникают при ускоренном движении массивных объектов. В 2015 году эксперимент LIGO зафиксировал слияние двух гигантских черных дыр, каждая из которых значительно превосходила по массе наше Солнце. За четверть секунды колоссальный объем массы трансформировался в гравитационное излучение, волны от которого путешествовали сквозь Вселенную более миллиарда лет, прежде чем достигли Земли. На финальном этапе своего существования эти черные дыры вращались со скоростью, близкой к световой, что наглядно подтверждает выводы общей теории относительности Эйнштейна для экстремальных условий.
Однако, по мнению гостя, масштабы этого события блекнут по сравнению с процессами ранней Вселенной. В эпоху космической инфляции, продолжавшуюся всего $10^{-36}$ секунды (триллионную от триллионной от триллионной доли секунды) после гипотетической точки «время ноль», вся материя и энергия Вселенной стремительно вырвались наружу. Столь мощное расширение должно было породить астрономически гигантский поток гравитационного излучения, заполнивший зарождающуюся ткань пространства-времени. Прохождение таких волн заставляет обычную и темную материю испытывать пульсирующие колебания гравитационных полей, формируя структуру космоса на самых крупных масштабах.
🚀 Парадокс сверхсветового расширения 8:56
Утверждение о том, что в период инфляции Вселенная расширялась со скоростью, превышающей скорость света, часто вызывает недоумение у неспециалистов. Тем не менее, Брайан Китинг подчеркивает, что даже сегодня в нашей Вселенной существует множество регионов и галактик, которые удаляются от нас быстрее скорости света, и астрофизики продолжают фиксировать этот процесс.
По словам ученого, для физиков в этом явлении нет парадокса, что объясняется двумя ключевыми факторами:
- Во-первых, расширение пространства-времени имеет физический смысл только тогда, когда оно измеряется относительно какой-то другой величины.
- Во-вторых, жесткое ограничение скорости, сформулированное Эйнштейном в специальной теории относительности, накладывается исключительно на распространение информации и сигналов.
Поскольку в ранней Вселенной не происходило сверхсветовой передачи причинно-следственной информации между объектами, законы физики нарушены не были. Точно так же человечество сегодня не может установить причинный контакт с галактиками, улетающими за горизонт видимости со сверхсветовой скоростью.
🕶️ Поляризация B-мод: как разглядеть следы инфляции 11:19
Чтобы объяснить, как радиотелескоп BICEP искал следы инфляции на Южном полюсе, Брайан Китинг приводит аналогию с поляризационными солнцезащитными очками. Если смотреть сквозь них на чистое небо и вращать линзы, интенсивность света будет меняться, так как солнечные лучи рассеиваются на молекулах земной атмосферы и приобретают преимущественную ориентацию колебаний (поляризацию).
В ранней Вселенной происходили схожие процессы. Излучение, выделявшееся при синтезе первичных химических элементов, изначально было хаотичным и неполяризованным. По мере остывания Вселенной эти волны растягивались, превращаясь в микроволны. При их взаимодействии с электронами возникал эффект поляризации.
Телескоп BICEP проектировался для улавливания не просто интенсивности микроволн, а особого скручивающегося, завихренного паттерна их поляризации. Космологи называют такие вихревые узоры B-модами. По словам Китинга, сам он предпочитает более живой термин «завитки» (curls), из-за чего шутливо связывает название телескопа с бицепсом, выполняющим сгибания рук. Появление этих B-мод возможно только в том случае, если ткань пространства-времени была буквально смята гравитационными волнами в момент инфляции.
🔄 Циклическая Вселенная против Мультиверса: возвращение древних идей 15:18
Как иронично замечает Брайан Китинг, в космологии «все старое снова становится новым». Стремление человеческого разума понять, как нечто могло возникнуть из ничего (включая отсутствие физических законов и пространства), уходит корнями в древнегреческие и индийские учения. Долгое время господствовала модель стационарной Вселенной, постулировавшая ее вечность и неизменность. Однако открытие разлета галактик и реликтового излучения заставило ученых признать динамичность космоса. Когда стационарная модель рухнула, физики обратились к квазистационарным и циклическим гипотезам, предполагающим бесконечные колебания, сжатия и новые взрывы.
В современной науке разворачивается новый виток этого противостояния. Главным научным достоинством циклической модели (разрабатываемой сэром Роджером Пенроузом, Полом Сэйнхардтом и их коллегами) Брайан Китинг называет её фальсифицируемость по Попперу — её можно опровергнуть с помощью реальных данных. Ученый подчеркивает, что задача экспериментатора заключается именно в поиске опровержений, а не в доказательстве теорий. Современные проекты, включая Simons Observatory, потенциально способны окончательно закрыть циклическую гипотезу, что станет огромным шагом вперед для науки. В то же время гипотеза Мультиверса, по мнению критиков, лишена этого свойства, так как бесконечное разнообразие параллельных миров невозможно экспериментально опровергнуть.
🪐 Антропный принцип и банальность нашего существования 22:55
Поиск ответов на вопрос о тонкой настройке Вселенной неизбежно приводит ученых к антропному принципу. Истоки этой дискуссии Китинг возводит к Николаю Копернику, который показал, что Земля не является центром Солнечной системы, что позже стоило Галилео Галилею свободы. С тех пор наука лишь подтверждала «заурядность» нашего положения: в Млечном Пути есть 100 миллионов звезд, идентичных Солнцу, миллиарды других светил и сотни миллиардов аналогичных галактик.
Для решения проблемы уникальности наших условий сторонники инфляции используют концепцию Мультиверса. Создатели теории инфляции Андрей Линде и Алан Гут утверждают, что запустить процесс инфляции и не получить при этом сопутствующий Мультиверс практически невозможно. В таком сценарии антропный принцип, сформулированный Брэндоном Картером на конференции в Кракове в 1970-х годах, перестает быть проблемой: мы живем в мире с данными физическими законами просто потому, что в других мирах условия непригодны для жизни.
Китинг ссылается на вычисления своего коллеги Адама Франка, автора книги «Свет звезд» (издательство W. W. Norton), который расширил уравнение Дрейка на всю историю наблюдаемой Вселенной. Даже по самым пессимистичным оценкам, в космосе должно было возникнуть около 100 разумных цивилизаций, способных на глобальное изменение своей планеты. Однако, учитывая диаметр наблюдаемой Вселенной в 93 миллиарда световых лет и её возраст в 14 миллиардов лет, эти 100 цивилизаций настолько рассеяны во времени и пространстве, что вероятность контакта между ними фактически равна нулю.
🕳️ Конформная циклическая космология Роджера Пенроуза 29:07
В качестве альтернативы Мультиверсу сэр Роджер Пенроуз развивает гипотезу конформной циклической космологии (CCC). По словам Китинга, Пенроуз активно критикует инфляционную модель за её негативное влияние на научный метод. В модели CCC пространственно-временная граница угасающей Вселенной трансформируется в начальную точку следующей эпохи, которую Пенроуз называет «эоном».
Согласно этой теории, некоторые объекты способны переживать переход между эонами. Сторонники CCC утверждают, что черные дыры и крупномасштабные магнитные поля могут оставлять следы в новой Вселенной. Пенроуз предполагает, что высокоразвитые цивилизации прошлого могли бы оставлять преднамеренные сигналы или отпечатки в реликтовом излучении через так называемые «точки Хокинга». Впрочем, сам Брайан Китинг, позиционируя себя как «простого экспериментатора», создающего приборы для проверки чужих теорий, считает подобные рассуждения о направляющем разумном начале крайне спекулятивными.
🏆 Горький привкус Нобелевской премии и Шнобелевский финал 32:34
В 2014 году команда BICEP объявила о фиксации B-мод, что Лоуренс Краусс поспешил назвать величайшим открытием в истории, гарантирующим Нобелевскую премию. Однако вскоре триумф сменился разочарованием: выяснилось, что зафиксированный сигнал был вызван помехами от космической пыли Млечного Пути, и открытие «закрылось». Этой драме амбиций Китинг посвятил свою книгу «Теряя Нобелевскую премию» (Losing the Nobel Prize).
В финале беседы ведущий и гость обмениваются шутливыми репликами. Джон Майкл Годье признается, что пытался номинировать Китинга на награду, но получил официальный отказ от комитета Шнобелевской (Ig Nobel) премии. Собеседники с иронией констатируют, что даже этот шуточный диплом получить непросто. В следующем выпуске Event Horizon Годье анонсирует встречу с физиком Мигелем Алькубьерре для обсуждения возможности создания сверхсветового двигателя, не нарушающего общую теорию относительности.
