Новое масштабное исследование данных космического телескопа Planck способно перевернуть классические представления о бесконечности окружающего пространства. Анализируя тончайшую структуру реликтового излучения, международная группа астрофизиков обнаружила признаки того, что наша Вселенная может быть не плоской, а замкнутой, наподобие гигантской четырехмерной сферы. В рамках очередного заседания «Журнального клуба» ведущий научно-популярного канала PBS Space Time подробно разбирает аргументы авторов этого открытия, рассуждает о нарастающем кризисе в современной космологии и отвечает на философские вопросы подписчиков.
🌌 Карта ранней Вселенной и первые намёки на кризис 0:00
Каждый раз, когда человек выходит на улицу, его лица касается древнейший свет, оставшийся со времён Большого взрыва. Это космическое микроволновое фоновое излучение, или реликтовое излучение, представляющее собой остаточное тепловое свечение ранней Вселенной. Человеческий глаз не способен уловить этот микроволновой свет напрямую, однако его можно зафиксировать даже с помощью простой радиоантенны. С тех пор как учёные узнали о его существовании, они непрерывно совершенствуют приборы для его сбора, поскольку этот первозданный свет скрывает в себе фундаментальные секреты мироздания.
Недавно группа исследователей обнаружила в реликтовом излучении свидетельства, указывающие на возможные пространственные пределы космоса — намёк на то, что наша Вселенная в действительности может иметь конечные размеры. Ведущий канала PBS Space Time обращается к свежей статье, опубликованной в престижном научном журнале Nature Astronomy под названием «Свидетельства закрытой Вселенной по данным Planck и возможный кризис космологии» (Planck evidence for a closed Universe and a possible crisis for cosmology). Авторами этой резонансной работы стали физики Элеонора Ди Валентино (Eleonora Di Valentino), Алессандро Мельхиорри (Alessandro Melchiorri) и Джо Силк (Joe Silk).
В основе их амбициозных выводов лежит детальный анализ карты реликтового излучения, составленной космическим спутником Planck. Специфический пятнистый узор на этой карте — не что иное, как застывший отпечаток звуковых волн, которые с грохотом распространялись в горячей космической плазме в течение первых сотен тысяч лет после Большого взрыва. По мере остывания Вселенной эти температурные флуктуации навсегда зафиксировались в пространстве. Предыдущие исследования размеров этих «пятен», проведенные более ранними орбитальными аппаратами, а также первоначальный экспресс-анализ данных Planck указывали на то, что Вселенная бесконечна по своему объёму и геометрически плоская, а её эволюция определяется влиянием тёмной материи и постоянной плотностью тёмной энергии.
В общих чертах эта общепринятая теоретическая модель успешно согласовалась с большинством наблюдений за современной Вселенной. Однако детальное изучение данных Planck выявило серьезные противоречия, которые учёные называют нарастающим «кризисом в космологии». Команда миссии Planck рассчитала скорость расширения Вселенной, которая категорически не совпадает с темпами расширения, наблюдаемыми в современную эпоху — особенно при измерениях расстояний до сверхновых. Расхождение сохраняется даже с учётом ускоряющего эффекта неизменной тёмной энергии. Тем не менее до последнего времени научные группы сходились во мнении, что геометрически Вселенная остаётся плоской и бесконечной. Но, как отмечает ведущий, это единодушие начинает таять: авторы нового исследования заявляют, что нашли чёткие доказательства того, что Вселенная искривлена внутрь себя, а значит, её протяжённость конечна.
📐 Три геометрии Эйнштейна: как устроено пространство 2:59
Чтобы понять суть открытия, необходимо обратиться к общей теории относительности Альберта Эйнштейна, которая допускает три базовых варианта геометрии для нашей Вселенной.
Варианты космической геометрии:
- Вселенная с положительной кривизной. Двумерной аналогией такой геометрии служит поверхность сферы, поэтому трёхмерное пространство в данном случае эквивалентно поверхности четырёхмерной сферы — так называемой гиперсферы. В таком пространстве линии, которые изначально были параллельными, со временем неизбежно пересекутся. Подобная Вселенная обладает конечным объёмом (так же, как сфера имеет конечную площадь поверхности), и если отправиться в путешествие по ней строго в одном направлении, то в итоге можно вернуться в отправную точку.
- Вселенная с отрицательной кривизну. Она аналогична геометрической гиперболической плоскости и напоминает по форме бесконечное седло. Любые траектории и лучи света в таком пространстве со временем расходятся друг от друга. Это открытая модель, в которой пространство продолжается вечно.
- Вселенная с нулевой кривизной (геометрически плоская Вселенная). В ней параллельные линии всегда остаются параллельными, полностью работают законы классической школьной геометрии, а само пространство является бесконечным.
Геометрия нашей Вселенной определяется балансом двух ключевых факторов:
- Масса и энергия. Чем больше вещества и энергии содержится в космосе (то есть выше плотность энергии), тем сильнее проявляет себя гравитация. Она стремится стянуть пространство внутрь, формируя положительную кривизну, что замыкает Вселенную и делает её конечной.
- Скорость расширения пространства. Стремительное расширение Вселенной противодействует гравитационному сжатию, способствуя формированию отрицательной кривизны, что делает пространство открытым и бесконечным.
Прежние космологические исследования настойчиво свидетельствовали в пользу плоской Вселенной. Учёные измеряли геометрию гигантских треугольников, построенных на основе самых крупных пятен реликтового излучения, и получали значение кривизны, крайне близкое к нулю. Однако из-за несовершенства любых астрономических инструментов всегда сохраняется определённая степень неопределённости. Кривизна вполне могла быть очень незначительной — как положительной, так и отрицательной. Человеку, стоящему на Земле, её поверхность тоже кажется абсолютно плоской, и лишь поднявшись на высоту, можно заметить реальный изгиб горизонта. Как утверждают авторы новой статьи, указания на слабую кривизну пространства всё это время скрывались в массиве данных телескопа Planck.
🔍 Скрытая аномалия: что нашли в спектре мощности телескопа Planck 5:19
В отличие от предшественников, исследователи не ограничились анализом треугольников, образованных только самыми крупными флуктуациями. Они изучили абсолютно все температурные неоднородности, представленные на карте. Говоря точнее, они проанализировали так называемый спектр мощности — график, отражающий распределение пятен реликтового излучения в зависимости от их угловых размеров на небесной сфере. На этом графике по оси $X$ отложен размер пятен, а по оси $Y$ — их количество. Из него видно, что пятна некоторых размеров встречаются значительно чаще других, а пик распределения приходится на неоднородности с угловым размером около одного градуса на небе.
При анализе спектра мощности критически важно учитывать эффект гравитационного линзирования. Свет реликтового излучения не движется к земным приборам по строго прямым линиям. На своём пути длиной в миллиарды лет он преодолевает области, заполненные галактиками и их колоссальными скоплениями. Эти массивные объекты обладают мощнейшими гравитационными полями, которые работают как линзы, слегка отклоняя траекторию световых лучей. Ведущий сравнивает этот эффект с попыткой рассмотреть картину через неровное, бугристое оконное стекло: все изображения за ним оказываются очень слабо искажёнными.
В масштабах реликтового излучения гравитационное линзирование приводит к своеобразному размытию или сглаживанию спектра мощности — пики на графике становятся менее острыми и чёткими, чем они были бы в идеальном пустом пространстве. Учёные смогли точно рассчитать степень линзирования по карте Planck и обнаружили, что этот показатель существенно превышает значения, предсказанные для стандартной плоской или открытой Вселенной.
Поскольку гравитационное линзирование порождается массой — как видимыми атомами, так и невидимой тёмной материей — избыточное линзирование указывает на то, что Вселенная обладает более высокой плотностью энергии, чем считалось ранее. По словам авторов работы, этой дополнительной материи и энергии вполне достаточно для того, чтобы за счёт гравитации преодолеть расширение и замкнуть плоское пространство в конечную поверхность четырёхмерной гиперсферы.
Разумеется, во многих научно-популярных объяснениях детали опускаются. Астрофизики не просто измерили уровень линзирования на глаз, а создали комплексную математическую модель, учитывающую множество космологических параметров: скорость расширения, особенности стадии инфляции, соотношение различных типов массы и энергии. Построив спектр моделей, наилучшим образом соответствующих форме экспериментального графика Planck, они обнаружили, что подавляющее большинство из них указывает на положительную кривизну пространства. Эта кривизна крайне мала — Вселенная по-прежнему остаётся невообразимо огромной, но, если выводы верны, она принципиально не может быть бесконечной. Исследователи заявляют, что статистическая достоверность обнаружения положительной кривизны превышает 99%.
⚠️ Новые противоречия и альтернативные сценарии 7:53
Означает ли гипотетическая конечность Вселенной, что в будущем гравитация неизбежно заставит её снова сжаться в сингулярность? И сможем ли мы когда-нибудь вернуться в исходную точку, если полетим строго вперёд? Ведущий даёт на эти вопросы отрицательный ответ: даже если Вселенная замкнута и конечна, она продолжает расширяться, и это расширение идёт с ускорением. Она никогда не схлопнется обратно, если только законы физики не устроены совершенно иначе, чем предполагает современная наука. Кроме того, на космологических расстояниях скорость расширения пространства превышает скорость света, поэтому совершить «кругосветное» путешествие по Вселенной физически невозможно при любой геометрии пространства-времени.
Существуют и веские научные причины относиться к выводам авторов с осторожностью. Дело в том, что исследователи обратились к другому индикатору гравитационного линзирования — так называемой четырёхточечной корреляционной функции. Вкратце, гравитация скоплений галактик должна притягивать друг к другу лучи света от разных температурных пятен, из-за чего в их случайном распределении должны возникать едва заметные кластеры. Однако анализ этой четырёхточечной функции показал объём линзирования, который полностью соответствует прежним результатам: меньшей плотности энергии и абсолютно плоской Вселенной.
Возникает закономерный вопрос: откуда берётся конфликт данных, если авторы заявляют об уверенности в 99%? Ведущий подчёркивает, что этот процент отражает вовсе не вероятность того, что сделанный вывод является истиной. Это лишь показатель статистической уверенности в качестве соответствия модели тем допущениям, которые были в неё заложены. Иными словами, если все исходные теоретические допущения абсолютно верны, то существует менее 1% шанса, что плоская Вселенная могла бы случайно выдать такой график из-за простых погрешностей измерения.
В связи с этим рассматриваются три основных сценария:
- Вселенная действительно имеет положительную кривизну и конечна в размерах.
- Базовые физические допущения, которые использовались при построении космологической модели, ошибочны.
- В самих экспериментальных данных содержится скрытая проблема или некорректная калибровка приборов.
Последний вариант весьма вероятен. Составление карты реликтового излучения Planck требовало ювелирного, чрезвычайно сложного очищения данных от сторонних источников микроволнового излучения (например, фонового излучения нашей собственной Галактики). Если этот этап был выполнен с малейшим изъяном, это могло исказить итоговую геометрию и параметры расширения. Официальный анализ данных миссии Planck проводился очень тщательно, поэтому любая потенциальная ошибка должна быть крайне тонкой. Интересно, что авторы новой статьи самостоятельно перепроверили часть массивов Planck, чтобы заявить о кривизне, тогда как сама команда Planck ранее посчитала этот сигнал линзирования статистически незначительным.
Если избыточный сигнал линзирования реален, это может указывать либо на кривизну пространства, либо на проявление неизвестных законов физики. Наличие «скрытой физики» — главная надежда многих современных теоретиков. Подобная зацепка способна вывести понимание законов космоса на совершенно новый уровень. Например, если скорость расширения Вселенной менялась не так, как предсказывает стандартная модель, это может означать, что динамика тёмной энергии нестабильна, что прольёт свет на её загадочную природу. Более того, если Вселенная действительно искривлена и замкнута, то противоречие между скоростью расширения ранней Вселенной и современными темпами её расширения становится ещё более острым, ведь предыдущие расчёты этого расхождения строились на предположении о её плоскостности.
Физики с воодушевлением относятся к подобным вызовам, ведь именно так развивается наука — через сомнения, проверки и поиск ошибок. Растущее противоречие между результатами Planck и другими измерениями неизбежно будет разрешено будущими космическими миссиями, которые либо найдут систематическую погрешность, либо откроют новую природу тёмной энергии и подтвердят конечную геометрию пространства-времени.
💬 Вопросы зрителей: от повседневной физики до антропного принципа 12:41
Для тех, кто хочет глубже погрузиться в изучение фундаментальных основ пространства-времени, ведущий рекомендует курс «Квантовые объекты» (Quantum Objects) на образовательной платформе Brilliant.org. Этот интерактивный курс предлагает решать практические задачи и проводить виртуальные эксперименты квантовой механики, чтобы самостоятельно выводить уравнения движения и законы физики на основе квантовой алгебры, ведь наиболее эффективное обучение всегда строится через преодоление трудностей и решение конкретных проблем.
В завершение выпуска ведущий уделил время общению со зрителями в рамках обсуждения прошлой темы об антропном принципе, а также ответил на вопросы из Discord-канала проекта.
Подписчик под ником Damagast поинтересовался, действительно ли все физики с докторскими степенями в повседневной жизни увлечённо рассуждают о столь сложных вещах, или же большинство из них предпочитают придерживаться прагматичного принципа «заткнись и считай». По словам ведущего, на практике встречаются оба типа учёных: одни обожают обсуждать самые спекулятивные и философские вопросы мироздания за бокалом пива, в то время как другие максимально сфокусированы на своей узкой научной теме и не заглядывают за её пределы. Сам ведущий признался, что предпочитает проводить время в компании первых.
Зритель Scott Barnkow спросил о существовании проверяемых предсказаний, сделанных на основе антропного принципа. Ведущий пообещал подробно разобрать этот вопрос в следующем выпуске, напомнив об историческом предсказании Стивена Вайнберга, который математически вычислил значение космологической константы за годы до официального открытия тёмной энергии.
Пользователь по имени Владимир выдвинул гипотезу: если в будущих космических цивилизациях будут жить триллионы или квадриллионы людей, не выглядит ли странным тот факт, что мы оказались среди первых 100 миллиардов жителей? Ведущий иронично отметил, что Владимир фактически заново изобрёл знаменитый «аргумент Судного дня», который физик Брэндон Картер сформулировал ещё 35 лет назад. Этот парадокс также станет темой будущей программы, где заодно прозвучит ответ для зрителя с ником P.S.Y о том, что именно философ Ник Бостром понимает под термином «референтный класс» наблюдателей.
Слушательница Penny Lane пошутила, что любой, кто верит в концепцию идеальной Вселенной («Вселенной Златовласки»), явно никогда не сталкивался с британской погодой. Ведущий оценил остроумие реплики, добавив важный научный нюанс: антропный отбор требует от Вселенной лишь принципиальной способности породить разумных наблюдателей, способных мыслить, но вовсе не обязан делать их жизнь комфортной или счастливой. Более того, суровая английская погода сама по себе может быть фактором отбора, поскольку вынуждает людей сидеть дома и размышлять о природе реальности.
Наконец, Regis Bodnar высказал мнение, что даже если нам технически доступно наблюдение типичной Вселенной, дать ей чёткое определение, скорее всего, невозможно. Ведущий предположил, что под типичной Вселенной стоило бы понимать мир с колоссальной скоростью экспоненциального расширения, поскольку в большинстве теоретических конфигураций космологическая константа должна быть значительно выше нашей, а значит, типичный космос представляет собой практически пустую среду. На курьёзное признание канала Singapore Breaking News о том, что они включают выпуски Space Time погромче, чтобы мама думала, будто они умнеют, а сами в это время играют в Steam, автор видео ответил, что уловка не удалась: сам по себе этот трюк требует сообразительности, так что зритель поумнел вопреки собственным намерениям.
