Современная космология находится в парадоксальном состоянии: ученые располагают колоссальным объемом данных, но при этом фундаментальное понимание природы Вселенной не продвинулось значительно за последние десятилетия. В рамках World Science Festival физик Брайан Грин обсудил с Хираньей Пейрис, профессором астрофизики Кембриджского университета, ключевые загадки мироздания — от поиска аксионов до проблемы «напряжения Хаббла» и попыток доказать существование мультивселенной в лабораторных условиях.
🌌 Космология в эпоху избытка данных 0:14
Хиранья Пейрис отмечает, что за последние 20 лет космология превратилась из теоретической площадки в дисциплину, буквально «тонущую в данных» . Если 30–40 лет назад существовало множество теорий при минимуме наблюдений, то сейчас ситуация обратная. Ученым удалось составить детальную историю Вселенной протяженностью почти 14 миллиардов лет, однако связь между масштабами космоса и микрофизикой остается туманной .
По мнению Пейрис, современная космология опирается на «феноменологическую картину». Это означает, что исследователи используют модель, которая отлично описывает наблюдения, но не дает глубокого понимания природы своих компонентов . Основу этой модели составляют шесть параметров (чисел), которые позволяют «настроить» описание Вселенной:
- Амплитуда первичных флуктуаций.
- Зависимость флуктуаций от масштаба.
- Геометрия Вселенной (наблюдения подтверждают, что она плоская).
- Плотность барионов (обычная материя, составляющая всего 5% энергетического бюджета).
- Плотность темной материи (превосходит обычную в 5 раз).
- Плотность темной энергии.
- Время формирования первых звезд .
Пейрис называет эти компоненты, особенно темную энергию и инфляцию, «зубными феями» — терминами, за которыми скрываются фундаментальные пробелы в знаниях .
🎈 Инфляция: «игрушечная модель» или реальность? 11:28
Теория инфляции — экспоненциального расширения ранней Вселенной — считается доминирующей парадигмой. Пейрис характеризует её как «игрушечную модель», поскольку она постулирует физику на энергетических масштабах, недоступных для земных лабораторий .
Тем не менее, инфляция сделала нетривиальные предсказания, которые подтвердились. Главным доказательством Пейрис считает обнаружение сверхгоризонтных (super-horizon) флуктуаций .
Основные тезисы об инфляции:
- Она объясняет, почему ранняя Вселенная (возрастом 380 000 лет) была настолько однородной, несмотря на огромные расстояния между точками .
- Пространство-время может расширяться быстрее скорости света, что не нарушает теорию относительности, так как это расширение самой ткани космоса, а не движение материи внутри неё .
- Инфляционный механизм превратил квантовые флуктуации в структуру галактик .
🧪 Охота на темную материю: ВИМПы против Аксионов 17:19
Пейрис убеждена в реальности темной материи как физических частиц, а не как ошибки в понимании гравитации. Она считает попытки изменить общую теорию относительности (ОТО) для объяснения вращения галактик «танцами с бубном», в то время как гипотеза частиц выглядит более естественной .
В центре дискуссии — два основных кандидата:
- ВИМПы (WIMPs): Слабовзаимодействующие массивные частицы. Несмотря на 40 лет поисков, они не обнаружены. По мнению Пейрис, основная область параметров, которая решала бы проблему иерархии в физике частиц, уже исключена .
- Аксионы (Axions): Частицы, предсказанные для решения «сильной CP-проблемы» в квантовой хромодинамике .
Пейрис участвует в эксперименте в Йельском университете по поиску аксионов. Вместо классических детекторов столкновений исследователи используют «аксионное радио» .
- Механизм: Аксион в сильном магнитном поле может распасться на два фотона с крайне низкой вероятностью .
- Инновация: Используются резонаторы из метаматериалов (проволочные структуры), которые позволяют настраивать «частоту» детектора независимо от геометрии камеры . Это расширяет диапазон поиска, охватывая наиболее вероятные массы аксиона (10–20 ГГц) .
🔭 Обсерватория имени Веры Рубин: кино о Вселенной 45:20
Новым этапом в сборе данных станет проект LSST (Legacy Survey of Space and Time) в Чили. Обсерватория оснащена самой большой цифровой камерой в истории размером с грузовик .
- Масштаб: Каждые 3 дня телескоп будет фотографировать всё южное небо. Один такой снимок по глубине данных равен 20-летнему циклу работы Слоановского цифрового небесного обзора (SDSS) .
- Объем данных: За 10 лет будет создан «таймлапс» (фильм) Вселенной. Каждую ночь система будет генерировать около 10 миллионов уведомлений об изменениях на небе .
- Роль ИИ: Обработка такого потока невозможна силами людей. Для классификации событий и поиска редких объектов (например, «неизвестных неизвестных») будут использоваться нейросети, в частности диффузионные модели и генеративный ИИ .
⚡ Напряжение Хаббла и «стандартные сирены» 52:13
Одной из главных проблем космологии остается «напряжение Хаббла» — расхождение в измерениях скорости расширения Вселенной. Данные по ранней Вселенной (CMB) дают значение около 68 км/с/Мпк, тогда как замеры по «лестнице расстояний» (сверхновые и цефеиды) дают около 73 км/с/Мпк .
Пейрис предлагает использовать для решения спора «стандартные сирены» — слияния нейтронных звезд .
- Преимущество: Гравитационные волны позволяют вычислить расстояние до объекта напрямую из уравнений ОТО, без необходимости калибровки по цефеидам.
- Электромагнитный двойник: Сопутствующая вспышка света позволяет определить красное смещение (скорость удаления) .
- Цель: Для достижения точности в 1% и разрешения конфликта ученым нужно зафиксировать около 50 таких событий. Пока в распоряжении науки есть только одно полноценное событие (GW170817) .
🌌 Мультивселенная в стакане: лабораторные симуляции 1:14:26
Если теория инфляции верна, то она должна быть «вечной», что неизбежно ведет к концепции мультивселенной, где наша Вселенная — лишь один из пузырей в расширяющейся «ткани» космоса . Пейрис ранее искала следы столкновения таких пузырей в реликтовом излучении, но результаты оказались неоднозначными из-за отсутствия точных теоретических предсказаний о частоте столкновений .
Чтобы понять физику рождения пузырей, Пейрис и её коллеги (включая Франка Вильчека и Зорана Хаджибабича) создают квантовые симуляторы в лаборатории:
- Суть: Использование ультрахолодных атомов для имитации распада «ложного вакуума» .
- Цель: Проверить гипотезу о том, что появление одного пузыря (вселенной) увеличивает вероятность рождения другого поблизости. Это поможет уточнить математические модели мультивселенной .
Хиранья Пейрис подчеркивает, что даже такие экзотические идеи, как мультивселенная, заслуживают серьезного изучения, пока они не опровергнуты математически или экспериментально. «Когда-то атомы и экзопланеты тоже считались чистой спекуляцией», — резюмирует она .
