Известный физик-теоретик Майкл Тёрнер стал гостем подкаста Брайана Китинга «Into the Impossible», чтобы обсудить фундаментальные загадки космологии. В ходе беседы учёные подробно разобрали историю возникновения термина «тёмная энергия», вызовы инфляционной модели Вселенной и современные споры вокруг постоянной Хаббла. Этот глубокий разговор раскрывает не только ключевые механизмы эволюции космоса, но и внутреннюю кухню теоретической и экспериментальной физики.
📚 История одной обложки и чертежи ранней Вселенной
<a class="ts" data-seconds="0" href="#t=0" title="Смотреть с 0:00" aria-label="Смотреть с 0:00"><svg viewBox="0 0 24 24" width="14" height="14" fill="currentColor" aria-hidden="true"><path d="M8 5v14l11-7z"/></svg></a>
Разговор Брайана Китинга с Майклом Тёрнером начался с обсуждения книги «Ранняя Вселенная» (The Early Universe), написанной Тёрнером в соавторстве с его коллегой по Чикагскому университету Рокки Колбом. По словам Тёрнера, оригинальное издание в твёрдом переплёте имело крайне лаконичный дизайн — простую белую обложку с названием и без подзаголовка. Ситуация изменилась, когда книга готовилась к выпуску в мягкой обложке. Издатели прислали Тёрнеру макет с изображением великолепной галактики Водоворот. Физик вспоминает, что позвонил соавтору и отметил, что картинка прекрасна, но не имеет прямого отношения к содержанию книги, посвящённой первой микросекунде существования космоса. На это Рокки Колб в шутку ответил: «Мы её берём».
Тёрнер объясняет, что такое решение не было обманом читателя. Именно в первую микросекунду Большого взрыва закладывались фундаментальные «чертежи» и физические законы, предопределившие последующее формирование галактик. Книга вышла под номером 69 в престижной издательской серии «Frontiers in Physics». Сегодня, спустя десятилетия, этот труд отмечает свой 30-летний юбилей и стабильно входит в топ-200 лучших книг по астрофизике, продолжая приносить авторам регулярные роялти.
💥 Существовал ли Большой взрыв? Борьба с научной провокацией
<a class="ts" data-seconds="376" href="#t=376" title="Смотреть с 6:16" aria-label="Смотреть с 6:16"><svg viewBox="0 0 24 24" width="14" height="14" fill="currentColor" aria-hidden="true"><path d="M8 5v14l11-7z"/></svg></a>
В последнее время медийное пространство наводнили заявления критиков, оспаривающих сам факт Большого взрыва. Ведущий Брайан Китинг упомянул, что подобные дискуссии доходят даже до постов Илона Маска и Джо Рогана. Майкл Тёрнер предлагает разделять абсолютно доказанные научные факты и гипотезы, требующие дальнейшей проверки. По мнению Тёрнера, главным неоспоримым фактом является то, что Вселенная непрерывно расширяется и скорость этого расширения увеличивается. Если экстраполировать этот процесс назад во времени, математические модели указывают, что 13.8 миллиарда лет назад Вселенная имела нулевой размер.
Тёрнер подчёркивает, что классическая теория Большого взрыва описывает не сам момент творения, а события, происходившие после него. Научные данные убедительно подтверждают состояние Вселенной в тот период, когда она была в 10 триллионов раз меньше, чем сегодня. Другим фундаментальным фактом Тёрнер называет высокую температуру раннего космоса. Подтверждением «горячего» Большого взрыва служит космическое сверхвысокочастотное фоновое излучение (реликтовое излучение), представляющее собой микроволновое эхо ранней эпохи. Учёные располагают детализированным снимком младенческой Вселенной, когда её возраст составлял всего 380 000 лет.
Касаясь книги Эрика Лернера «Большого взрыва не было», Тёрнер назвал автора провокатором. Тёрнер вспоминает, что главным аргументом Лернера было отсутствие мелких флуктуаций интенсивности реликтового излучения, необходимых для объяснения формирования галактик. По иронии судьбы, книга Лернера вышла всего за шесть месяцев до того, как эти крошечные температурные вариации были официально открыты 23 апреля 1992 года, что подтвердило стандартную космологическую модель. Тёрнер также упомянул гипотезу профессора Раджендры Гупты из Оттавского университета, который предложил увеличить возраст Вселенной до 27 миллиардов лет. По мнению Тёрнера, подобные громкие заявления легко попадают на первые полосы газет, однако реальные научные дебаты часто напоминают бейсбольный матч, где публика просто болеет за свои команды, не меняя убеждений.
🎈 Космическая инфляция и «карта достижений» теории
<a class="ts" data-seconds="814" href="#t=814" title="Смотреть с 13:34" aria-label="Смотреть с 13:34"><svg viewBox="0 0 24 24" width="14" height="14" fill="currentColor" aria-hidden="true"><path d="M8 5v14l11-7z"/></svg></a>
По мнению Тёрнера, сформулированная Аланом Гутом в 1980–1981 годах теория космической инфляции является второй по значимости идеей в космологии после самого Большого взрыва. Инфляция описывает экспоненциальное расширение Вселенной на сверхранней стадии — примерно в районе $10^{-35}$ секунды после начала. Тёрнер отмечает, что лучшим комплиментом со стороны экспериментатора в адрес теоретика является попытка опровергнуть его выводы.
Самым смелым предсказанием инфляционной модели было то, что Вселенная должна быть плоской, то есть обладать критической плотностью. В то время астрономы скептически относились к этой идее, поскольку данные наблюдений фиксировали лишь 10% от необходимой плотности материи. Ситуацию изменили эксперименты на аэростатах под руководством Эндрю Ланга из Калтеха, который позже стал наставником Брайана Китинга. Эти исследования предоставили первые веские доказательства в пользу плоскостности Вселенной.
Важнейшим критерием проверки инфляции стали температурные вариации реликтового излучения, составляющие всего одну стотысячную долю. Теория предсказывала, что эти флуктуации должны быть почти масштабно-инвариантными, имея небольшое отклонение примерно в 10%. Тёрнер гордится тем, что его команда первой сформулировала это условие. Если бы флуктуации оказались идеально масштабно-инвариантными, это бы опровергло инфляцию. Финальным и самым сложным подтверждением теории Тёрнер считает фиксацию сигнатур первичных гравитационных волн. Эксперимент BICEP2 на Южном полюсе, несмотря на первоначальную ложную тревогу, проделал колоссальную работу по повышению чувствительности детекторов и сейчас развивается в рамках проекта BICEP Array.
🌌 Рождение «тёмной энергии» и работа с фокус-группами
<a class="ts" data-seconds="1772" href="#t=1772" title="Смотреть с 29:32" aria-label="Смотреть с 29:32"><svg viewBox="0 0 24 24" width="14" height="14" fill="currentColor" aria-hidden="true"><path d="M8 5v14l11-7z"/></svg></a>
Майкл Тёрнер по праву считается «отцом» термина «тёмная энергия», и в интервью он подробно описал историю его создания. К середине 1990-х годов космология столкнулась с серьёзной проблемой дефицита плотности. В 1994 году вышла знаковая статья, авторы которой изучили соотношение тёмной и обычной материи в галактических скоплениях и доказали, что общая доля вещества составляет всего около 30% от критической плотности. Чтобы сохранить красивую и подтверждаемую модель плоской Вселенной, требовалось найти недостающие 70%.
В 1995 году Лоуренс Краусс и Майкл Тёрнер опубликовали теоретическую работу, постулирующую возвращение космологической константы Эйнштейна. В 1998 году ускоренное расширение Вселенной было открыто экспериментально группами Адама Рисса и Брайана Шмидта. Тёрнер понял, что если научное сообщество согласится называть этот феномен просто «космологической константой», исследования прекратятся, так как все посчитают задачу решённой. Однако истинная физическая природа явления оставалась абсолютно неизвестной.
Чтобы подчеркнуть монументальность загадки, требовалось новое имя. Тёрнер рассказал забавную историю о том, как тестировал варианты названия:
- Первым вариантом была «забавная энергия» (Funny Energy).
- Фокус-группы сочли это название дружелюбным и непугающим.
- Однако Тёрнер осознал, что для решения научной проблемы стоимостью в миллиард долларов требуется гораздо более серьёзное имя.
В итоге в августе 1998 года на конференции в Австралии Тёрнер впервые озвучил термин «тёмная энергия» (Dark Energy), который мгновенно прижился. Тёрнер считает её самой глубокой загадкой во всей науке. Физики ввели специальный $W$-параметр, чтобы определить, совпадает ли природа тёмной энергии с эйнштейновской константой (где $W = -1$). На сегодняшний день все измерения соответствуют этой константе, однако наука до сих пор не может объяснить, почему её значение столь микроскопично.
📐 Хаббловское напряжение: зрелость космологии или новые загадки
<a class="ts" data-seconds="2491" href="#t=2491" title="Смотреть с 41:31" aria-label="Смотреть с 41:31"><svg viewBox="0 0 24 24" width="14" height="14" fill="currentColor" aria-hidden="true"><path d="M8 5v14l11-7z"/></svg></a>
Появление так называемого хаббловского напряжения (Hubble tension) Тёрнер называет прямым свидетельством зрелости космологии как науки. Раньше исследователи страдали от нехватки данных, теперь же точность приборов позволяет измерять скорость расширения Вселенной принципиально разными методами и проводить перекрёстные проверки. Скорость расширения измеряется локально по близлежащим галактикам (в частности, в проекте коллегии Тёрнера по Чикаго Венди Фридман) и глобально — через экстраполяцию данных реликтового излучения на основе уравнений Эйнштейна.
Оба метода дают поразительно близкие результаты с точностью до 10%, что 20 лет назад казалось фантастикой. Тем не менее при росте точности между ними возникло статистически значимое расхождение в несколько процентов. Тёрнер выделяет четыре возможных сценария разрешения этого кризиса:
- Ошибка в измерениях реликтового излучения.
- Систематическая ошибка в прямых локальных измерениях расстояний до галактик.
- Ошибки присутствуют в обоих методах одновременно.
- Оба метода правы, но неверна сама космологическая экстраполяция, поскольку в модели Lambda-CDM упущено нечто важное.
Последний вариант больше всего интригует физиков, так как указывает на новую физику. Популярная гипотеза «ранней тёмной энергии» (Early Dark Energy) пытается сгладить углы, но Тёрнер относится к ней скептически. Он цитирует своего ментора Ричарда Фейнмана, который говорил, что хорошая идея подобна брошенной в автомат монете, из которой вылетает сразу 30 банок колы. Существующие теоретические «костыли» пока решают лишь одну проблему и больше похожи на искусственные игрушечные модели. Тёрнер напоминает, что измерение космических расстояний исторически является сложнейшей задачей: сам Эдвин Хаббл в своё время ошибся в 10 раз. На данный момент Тёрнер оценивает вероятность каждого из четырёх сценариев ровно в 25%.
💫 Новые горизонты: Тёмные звёзды и концепция «тёмного мира»
<a class="ts" data-seconds="3364" href="#t=3364" title="Смотреть с 56:04" aria-label="Смотреть с 56:04"><svg viewBox="0 0 24 24" width="14" height="14" fill="currentColor" aria-hidden="true"><path d="M8 5v14l11-7z"/></svg></a>
В завершение беседы Брайан Китинг и Майкл Тёрнер обсудили новые теоретические веяния и будущих гостей подкаста. Одним из них станет Нобелевский лауреат Герард 'т Хоофт, у которого Тёрнер хотел бы узнать его мнение об инфляционной модели Вселенной. Также Китинг анонсировал визит Кэтрин Фриз, бывшей студентки выдающегося астрофизика Дэвида Шрамма. Кэтрин Фриз активно продвигает концепцию «тёмных звёзд», питающихся аннигиляцией тёмной материи. Тёрнер признаётся, что ему трудно поверить в эту теорию, однако считает её великолепной благодаря строгой экспериментальной проверяемости.
Тёрнер указывает на смену парадигм среди поколений физиков. Его поколение верило в концепцию «одной главной частицы» тёмной материи — вимпа (WIMP) или аксиона, которая красиво закрывала бы пробелы в теориях Великого объединения. Прошедшее десятилетие должно было стать триумфом вимпов, но эксперименты не дали однозначного результата. Из-за этого молодые теоретики начали разрабатывать концепцию «тёмного мира» (Dark World) — сложной невидимой экосистемы, содержащей тёмные фотоны и множество видов скрытых частиц.
Тёрнер признаётся, что идея изобретения целого зеркального мира для решения одной проблемы кажется ему избыточной и экстравагантной. Тем не менее, вспоминая слова Артура Кларка о том, что маститые учёные часто ошибаются, объявляя что-то невозможным, Тёрнер отмечает, что продолжает внутреннюю борьбу с собственным консерватизмом и готов признать правоту молодого поколения физиков.
