На Всемирном фестивале науки (World Science Festival) знаменитый космолог и лауреат Нобелевской премии по физике 2019 года Джим Пиблс делится воспоминаниями о становлении современной космологии. В интервью обсуждаются драматическая история открытия реликтового излучения, введение понятий темной материи и темной энергии, а также современные загадки Вселенной, бросающие вызов стандартной космологической модели. На примере личного опыта ученого раскрывается путь превращения космологии из умозрительной философии в точную цифровую науку.
🌌 От мечтаний к Принстону: истоки научного пути 2:09
Распространенный стереотип о том, что будущие великие ученые с четырех-пяти лет знают о своем призвании, не нашел подтверждения в биографии Джима Пиблса. По его собственным словам, в старшей школе он был крайне неудовлетворительным учеником — не из-за бунтарства, а из-за того, что постоянно витал в облаках. Он мало внимания уделял урокам и совершенно не участвовал в общественной или спортивной жизни школы.
Свои первые практические навыки Пиблс получил благодаря отцу, который любил строить вещи своими руками. Будущий лауреат проводил время в одиночестве, разбирая и собирая электрические моторы, транзисторы и трансформаторы. Из-за отсутствия четкого плана и ни с кем не посоветовавшись, он поступил на инженерный факультет Университета Манитобы просто потому, что «инженеры что-то строят». Однако физические курсы увлекли его гораздо сильнее, и он перевелся на физический факультет. Ключевую роль в его судьбе сыграл местный профессор, который разглядел в Пиблсе талант и, будучи выпускником Принстона, безапелляционно заявил: «Ты должен ехать в Принстон».
По прибытии в Принстон Пиблс оказался в уникальной интеллектуальной среде. В то время в университете работали два культовых физика, которые подходили к исследованию гравитации с диаметрально противоположных позиций:
- Джон Уилер воспринимал общую теорию относительности Эйнштейна как настолько красивую и элегантную математическую конструкцию, что она практически гарантированно должна была являться хорошим приближением к реальности.
- Роберт Дикке, напротив, будучи гениальным экспериментатором, скептически относился к любым теориям, пока они не прошли жесткую проверку практикой. Он решил возродить экспериментальное тестирование гравитации, стагнировавшее с 1930-х годов, применив технологии и электронику, оставшиеся после Второй мировой войны.
Хотя Пиблс позиционирует себя как теоретик, подход Дикке оказался ему ближе. Именно Дикке предложил молодому аспиранту заняться развитием теории расширяющейся Вселенной.
📻 Эпопея вокруг реликтового излучения и нобелевский спор 7:14
Идея исследования ранней Вселенной родилась у Роберта Дикке из концепции «пульсирующей Вселенной», которая сжимается, а затем испытывает отскок (эту идею в свое время продвигал Ричард Толмен). Дикке математически вывел, что процесс коллапса термодинамически необратим и должен производить гигантский объем энтропии, переходящей в излучение. Следовательно, ныне расширяющаяся Вселенная должна быть заполнена морем этого остаточного теплового излучения со специфическим спектром интенсивности.
Во время войны Дикке изобрел микроволновый радиометр — прибор для высокочувствительного измерения радиации. Он поручил двум молодым ученым из своей группы, Дэвиду Уилкинсону и Питеру Роллу, построить такой прибор для поиска космического фона, а Пиблсу мимоходом бросил фразу: «Почему бы тебе не подумать о теоретических последствиях этого эксперимента?».
Параллельно в истории физики развивалась другая сюжетная линия:
- Еще в 1940-х годах астрономы зафиксировали, что молекулы межзвездного газа циан (CN) находятся в возбужденном состоянии, словно их подталкивает некое невидимое тепловое излучение.
- В 1959 году инженеры Bell Laboratories в Нью-Джерси, разрабатывая сверхчувствительные микроволновые детекторы для спутниковой связи, столкнулись с неустранимым избыточным шумом. Этот шум был «грязным маленьким секретом» лаборатории, который никто не мог объяснить.
В 1964 году два молодых физика из Bell Labs, Арно Пензиас и Роберт Уилсон, решили во что бы то ни стало найти источник этого фонового излучения. Не добившись успеха, они начали расспрашивать коллег, и слухи об их проблеме дошли до Принстона.
Историческая развязка наступила во время обычного обеда в кабинете Роберта Дикке. Зазвонил телефон; Дикке снял трубку, выслушал Пензиаса и Уилсона, после чего повернулся к своей команде и произнес ставшую легендарной фразу: «Ребята, нас обошли» (We've been scooped). Пиблс отмечает, что у него не было чувства досады — это был слепой поиск в темноте, и подтверждение того, что излучение существует, вызвало у него колоссальный теоретический азарт.
В итоге группы договорились опубликовать две статьи: Пензиас и Уилсон описали чистый эксперимент (без единого упоминания космологии), а группа Дикке — теоретическую интерпретацию. Впоследствии Нобелевская премия за это открытие была присуждена только Пензиасу и Уилсону.
По мнению Джима Пиблса, решение Нобелевского комитета было абсолютно безмозглым шагом (brainless move). Ученый убежден, что премию должны были разделить три человека: Пензиас, Уилсон и Дикке, поскольку именно Дикке изобрел инструмент, инициировал целенаправленный поиск и объяснил сотрудникам Bell Labs, что именно они нашли.
🚀 Забытые пророки: Гамов, Альфер и Герман 17:18
Как подчеркивает Пиблс, Нобелевский комитет — не единственный, кто совершал исторические ошибки. В процессе работы выяснилось, что детальные предсказания космического фона были сделаны задолго до принстонской группы Георгием Гамовым и его коллегами Ральфом Альфером и Робертом Германом.
Пиблс отзывается о Гамове как о человеке с «самой ошеломляющей физической интуицией», которого он когда-либо встречал. Однако эта гениальность сочеталась с полным неприятием авторитетов и правил безопасности, из-за чего Гамова после войны даже не привлекли к работе в Лос-Аламосе над атомной бомбой. В 1948 году Гамов вместе с Альфером написал знаменитую статью «Альфер — Бете — Гамов» (куда он шутки ради добавил имя Ханса Бете для созвучия с греческим алфавитом), но в ней предполагался «холодный» старт Вселенной, что было в корне неверно.
Позже в том же году интуиция Гамова сработала правильно, и он выдвинул идею Горячего Большого взрыва. Альфер и Герман развили эту мысль и предсказали существование космического микроволнового фона с температурой около 5–8 Кельвинов.
Несмотря на прорывной характер, теория Гамова не вошла в учебники физики того времени. Например, в фундаментальном курсе Ландау и Лифшица («Теория поля») космологическому расширению была посвящена треть книги, но авторы добавили сноску, что все это может быть неверно из-за возможной неоднородности Вселенной, и вообще не упомянули модель Гамова. В результате Пиблсу пришлось выводить всю физику ранней Вселенной практически с нуля, не зная о работах предшественников. Примечательно, что реальные наблюдения межзвездного циана давали температуру фона 2,3 Кельвина, Альфер предсказывал около 5 Кельвинов, а современное точнейшее значение составляет 2,3275 Кельвина.
🛰️ Эра прецизионной космологии: от спектра к темной материи 22:05
В 1970-е годы космологию лихорадило: эксперименты упорно показывали аномалии в спектре реликтового излучения, указывая, что он не является строго тепловым. Для Пиблса это были тревожные времена, поскольку нетермический спектр означал бы, что раннее пространство было энергетически хаотичным, что разрушило бы простоту расчетов.
Ситуацию в начале 1980-х годов исправили точнейшие спутниковые эксперименты Джона Мазера (проект COBE), доказавшие, что спектр излучения является идеально тепловым (абсолютно черное тело). Мазер получил за это Нобелевскую премию. Пиблс вспоминает и канадского исследователя Херба Гаша, который пытался провести аналогичные измерения на ракете на 15 лет раньше Мазера, но с меньшим бюджетом. Тот эксперимент закончился трагикомично:
«Твердотопливная ракета вывела прибор, пироболты отстрелили его, но часть топлива в ракете не догорела. Ракета загорелась, обогнала приборный отсек и опрыскала его ядовитыми химикатами».
Идеальная гладкость реликтового излучения породила новый парадокс: если излучение столь однородно, как из него сформировалась «комковатая» крупномасштабная структура Вселенной с галактиками и скоплениями? Обычная барионная материя (протоны, нейтроны) под действием гравитации не успела бы так сильно сгуститься, не оставив при этом огромных отпечатков (искажений) на реликтовом излучении.
Чтобы разрешить это противоречие, Пиблс в 1982 году пошел на шаг, который сам называет «допущением ad hoc» (специально для данного случая): он ввел в модель холодную темную материю (CDM). Ее ключевые особенности:
- Она состоит не из барионов, электронов или нейтрино.
- Она абсолютно не взаимодействует с излучением (светом), а значит, свободно сжималась под действием гравитации в ранней Вселенной, формируя «гравитационные колодцы» для будущих галактик, не нарушая спокойствия фотонов.
- Она является «холодной», что минимизирует давление и упрощает математические расчеты.
В то же время барионная материя и излучение в ранней Вселенной (при температуре выше 1000 Кельвинов) были тесно связаны из-за постоянного рассеяния электронов и представляли собой единую плотную жидкость. Любое возмущение плотности вызывало в этой барион-фотонной плазме звуковые волны — этот процесс сегодня известен как барионные акустические осцилляции (БАО). Линейная теория возмущений Пиблса позволила с филигранной точностью рассчитать параметры этих осцилляций. Современные спутниковые данные (WMAP, Planck) идеально совпали с расчетными графиками («космическими флуктуациями»), подтвердив правоту ученого.
🔄 Возвращение космологической константы 34:35
Еще одним вкладом Пиблса в науку стало возвращение эйнштейновской космологической константы ($\Lambda$). Эйнштейн ввел ее в 1917 году исключительно ради обеспечения статичности Вселенной, а после открытия Хабблом расширения пространства назвал ее своей «величайшей ошибкой» и исключил из уравнений.
Однако в начале 1990-х годов Джим Пиблс, изучая динамику движения и распределения галактик, обнаружил, что наблюдаемая плотность массы Вселенной значительно меньше той, что требуется для модели без космологической константы. Он предложил вернуть $\Lambda$-член в полевые уравнения Эйнштейна.
Это предложение вызвало резкое неприятие у коллег. В те годы физики были очарованы простотой уравнений Эйнштейна без константы, к тому же квантовая физика предсказывала абсурдно огромное значение энергии вакуума, из-за чего константу предпочитали считать строго равной нулю. Пиблс с улыбкой вспоминает, как один способный молодой ученый цитировал ему стихотворение Льюиса Кэрролла: «Попрекай своего маленького мальчика... он делает это только назло, потому что знает, что это дразнит». Пиблс признается, что ему даже нравилось ездить по конференциям в 90-е и дразнить коллег аргументами в пользу космологической константы.
В 1998 году наблюдения за далекими сверхновыми типа Ia подтвердили ускоренное расширение Вселенной и присутствие темной энергии ($\Lambda$), за что астрономы получили Нобелевскую премию. Пиблс, впрочем, отмечает, что данные по сверхновым его тогда не до конца убедили из-за невозможности точно просчитать эволюцию самих звезд. Окончательно он поверил в космологическую константу лишь в 2000 году, когда параметры ускорения пространства были зафиксированы через анизотропию реликтового излучения.
❓ Тупики и вызовы: Хаббловское напряжение и парадокс галактики Мессье 101 43:37
Сегодня стандартная космологическая модель ($\Lambda$CDM), у истоков которой стоял Пиблс, описывает Вселенную с беспрецедентной точностью. Тем не менее сам создатель относится к ней настороженно. По словам Пиблса, темная материя и темная энергия — это не более чем «временные заплатки», призванные замаскировать пробелы в нашем понимании. Он надеется, что будущие поколения физиков обнаружат точки слома текущей теории, что приведет к созданию более глубокой физической картины.
Среди главных современных космологических аномалий Пиблс выделяет две проблемы:
- Хаббловское напряжение (Hubble tension) — несовпадение скорости расширения Вселенной, измеренной по ранней Вселенной (реликтовому излучению), и по локальной, современной Вселенной (цефеидам и сверхновым). Пиблс признается, что его восхищает тот факт, что эти цифры вообще близки, учитывая колоссальную разницу во времени, но надеется, что расхождение окажется не систематической ошибкой измерений, а признаком фундаментально новой физики.
- Инфляционная модель — гипотеза о сверхбыстром расширении Вселенной в первые мгновения после Большого взрыва. Пиблс уважает элегантность этой математической мысли, но подчеркивает, что не доверяет инфляции, пока она не получит прямых эмпирических подтверждений, которых сейчас критически не хватает. К идее Мультивселенной и вечной инфляции он относится спокойно, хотя указывает на логический тупик: инфляция может быть вечной в будущем, но математически не могла быть вечной в прошлом. На вопрос «что дало старт Большому взрыву» Пиблс отвечает, что наука пока за рамками этого вопроса, и сам он «не теряет сон» из-за подобных философских дилемм.
В качестве финального аккорда Пиблс демонстрирует снимок спиральной галактики Вертушка (Messier 101), расположенной в 10 миллионах световых лет от Земли. Эта красивейшая галактика таит в себе глубочайший физический парадокс: ее звездный диск является невероятно тонким по всей протяженности, вплоть до самого центра.
Ученый констатирует, что ни одно современное суперкомпьютерное моделирование эволюции галактик в рамках стандартной модели $\Lambda$CDM не способно воспроизвести настолько тонкий диск и спиральные рукава, доходящие почти до центрального ядра. Это явный маркер того, что физики упустили некий фундаментальный фактор в своих вычислениях. Схожим вызовом стали и недавние данные телескопа Джеймса Уэбба (JWST), обнаружившего неожиданно массивные и яркие галактики на самых ранних этапах жизни Вселенной. Пиблс оставляет эти загадки открытыми, призывая молодых исследователей дерзать и искать изъяны в созданной им космологической теории.
