Гонка за Нобелем - Брайан Китинг

Эти треугольники были относительно небольшими, по космическим меркам по крайней мере. Чтобы измерить кривизну всей Вселенной, нужен треугольник, у которого хотя бы одна из сторон простирается максимально далеко от Земли, т. е. заканчивается в точке, которая существовала сразу после Большого взрыва. Такой треугольник с максимально удаленной вершиной и известной длиной стороны мог стать космической линейкой, позволяющей измерить радиус кривизны Вселенной.

Оказалось, что такие «стандартные линейки» существовали; это были мелкомасштабные колебания — звуковые волны, которые распространялись через плазму, создавшую реликтовое излучение, и трансформировались в температурные вариации с угловым масштабом на небесной сфере порядка 1°{3}. Это были самые большие структуры, которые могли сформироваться в ранней Вселенной, — линейки, равные по длине возрасту Вселенной, умноженному на скорость звука. Если вернуться к рис. 30, то размер этих линеек был равен диаметру маленьких кругов. Эти колебания были обнаружены через восемь лет после эксперимента COBE в ходе эксперимента BOOMERanG и немедленно использованы для измерения кривизны Вселенной. Оказалось, что радиус кривизны бесконечен, т. е. наша Вселенная — плоская. Какой бы большой треугольник вы ни нарисовали, сумма его углов всегда будет равна 180° (рис. 32).

Как и результаты COBE, результаты BOOMERanG опрокидывали прежние представления. Наша Вселенная не могла быть плоской. Плоскостность неустойчива, а это означает, что, если только Вселенная не была идеально плоской с самого начала, ее расширение должно было значительно увеличить любую, даже крошечную, кривизну. Однако наблюдаемая сегодня почти нулевая пространственная кривизна Вселенной предполагает, что всего за одну наносекунду после Большого взрыва Вселенная достигла так называемой «критической плотности» — состояния, когда количество материи в среднем составляет 447 225 917 218 507 401 284 016 граммов на кубический сантиметр{4}. Если бы плотность одного кубического сантиметра Вселенной была выше этого параметра на один грамм, она была бы слишком плотной, чтобы избежать коллапса.

Из наблюдений BOOMERanG следовало, что наша Вселенная, по сути, всегда была идеально плоской. Это говорило о кризисе модели Большого взрыва. Согласно Леметру, Большой взрыв начался с «первичного атома», и теперь сделанные группой Ланге измерения пространственной кривизны Вселенной показали, что радиус кривизны этого «первичного атома» бесконечно близок к нулю. В очередной раз ученые столкнулись с тем, что наша Вселенная родилась с уникально тонкими настройками: абсолютно плоской в большом масштабе и почти абсолютно гладкой на малых масштабах. Космологи ненавидят такие счастливые случайности. Это необъяснимое плоское состояние стало известно как проблема плоскостности, которая стала третьей по счету неразрешимой проблемой теории Большого взрыва.

Как Вселенная могла разгладиться до столь плоского состояния и в больших, и в малых масштабах? Представлялось, будто Вселенная вырвалась из первичной сингулярности, а потом настолько сильно расширилась, что все первичные неровности расправились. Хотя однородность и кривизна Вселенной были измерены только в 1992 и 2000 годах соответственно, космологи за несколько десятилетий до этого предвидели, что такие доказательства в конце концов будут получены.

В 1978 году, когда Нобелевская премия впервые была присуждена за открытие в области космологии известным нам Пензиасу и Уилсону, молодой постдок Алан Гут набирался знаний и опыта в Корнеллском университете. Однажды в Корнелл прибыл Боб Дикке, физик из Принстона, благодаря которому удалось объяснить микроволновый фон (а он добровольно отказался от права претендовать на нобелевское золото), чтобы прочитать лекцию о проблемах горизонта и плоскостности в теории Большого взрыва.

Гут был озадачен услышанным. «Из лекции Дикке можно было сделать вывод, что традиционная теория Большого взрыва упускает что-то действительно важное», — впоследствии сказал он{5}. Дикке и его коллега Джим Пиблс утверждали, что, исходя из антропного принципа, Вселенная должна быть почти плоской и однородной. Антропный принцип выражает довольно простую идею: Вселенная не может слишком отличаться от того, что мы наблюдаем, учитывая, что здесь мы за ней и наблюдаем. Если бы Вселенная была слишком неоднородной, вся материя под воздействием гравитации коллапсировала бы до тех пор, пока не осталось бы ничего, кроме нескольких черных дыр; в такой Вселенной просто некому было бы беспокоиться о недостатке однородности{6}. И наоборот, если бы Вселенная была слишком однородной, в ней не cмогли бы сформироваться звезды и планеты. В этом случае также некому было бы мучиться вопросом, почему Вселенная настолько однородна. Но антропные аргументы все равно что вегетарианская пища для любителя барбекю по-техасски: вы вроде едите, но не наедаетесь. Алан Гут жаждал большего.

Вскоре после лекции Дикке Гут перешел из Корнеллского университета в Национальную лабораторию SLAC (Stanford’s Linear Accelerator Center). Постоянной должности ему не предложили, но Гуту нужно было содержать семью, поэтому теперь предстояло зарекомендовать себя на научном поприще, чтобы получить преподавательское место. Недостатки теории Большого взрыва не выглядели как источник несказанных богатств. Однако в интеллектуальном отношении это оказалось именно так.

Гут не переставал размышлять о лекции Дикке. Однажды ночью в декабре 1979 года он сделал в записной книжке загадочную запись. Подобно Хабблу, который, обнаружив драгоценную цефеиду в туманности Андромеды, в волнении нацарапал на фотопластинке жирными буквами «VAR!», Гут был так потрясен озарившей его идеей, что написал поперек страницы заглавными буквами: «ЗАХВАТЫВАЮЩАЯ МЫСЛЬ!» Годы спустя космологи приравняли идею Гута по значимости к самой теории Большого взрыва{7}.

Прошло два года. Гут превратился из постдока в профессора Массачусетского технологического института, прежде чем разработал детально свою теорию. В эпохальной статье «Инфляционная Вселенная: возможное решение проблем горизонта и плоскостности» Гут засеял семенами совершенно новое поле космологии{8}. Но взойдут ли эти семена?

Реальность превзошла самые смелые его ожидания.

В начале 1980-х годов семена Гута пали на благодатную почву. Это была замечательная эпоха в физике, когда теории конденсированных сред — теории газов, жидкостей и твердых тел — соединялись с теориями физики высоких энергий, описывающими частицы, силы и поля.