Космические числа: Можем ли мы проверить инфляционную теорию?

К

Можем ли мы проверить инфляционную теорию?

В случае, если сморщенную поверхность растягивать многократно, неровности будут уменьшаться и поверхность станет гладкой. Аналогией «гладкости» в космологии есть правильное равновесие между (отрицательной) энергией тяготения и (положительной) энергией расширения. Это самое надежное обобщенное предсказание инфляционной теории. Выполняется ли оно? Несложная плоская вселенная – это именно та самая, где число Ω равняется точно единице. Доказательства математики чисел показывают, что атомы и чёрная материя составляют лишь 0,3 критической плотности, и это на первый взгляд говорит о неудаче. Благодаря этого физики с энтузиазмом ухватились за утверждение о том, что расширение ускоряется, в силу того, что к нему добавляется энергия, связанная с числом λ. Наша Вселенная и в действительности думается «плоской» (не смотря на то, что самые осмотрительные среди нас смогут заявить, что «присяжные все еще не собрались», и будут избегать окончательного решения еще пара лет) (На настоящий момент мы можем сказать о том, что замечаемая Вселенная описывается плоской геометрией с точностью около 1 %. – Прим. авт.). «Смесь» того, что образовывает критическую плотность Вселенной, всего на 4 % складывается из атомов и на 25 % – из чёрной материи. Все другое – сам «вакуум».

Подтверждение «плоскостности» пара вдохновляет. По крайней мере оно поощряет нас проводить предстоящие опыты, особенно «диагностику», которая может распознать детали того, что происходило на протяжении стремительного расширения. Большая часть обстоятельных идей об ультраранней Вселенной имеют весьма маленький срок годности. По поводу первых 10–35 секунд сегодняшние физики испытывают такую же неуверенность, какую испытывали по поводу первой секунды по окончании Большого взрыва, в то время, когда Гамов и другие исследователи начали изучать космологическое происхождение элементов. Их первичные идеи были неверными во многих отношениях, но они были исправлены и твердо поднялись на ноги за следующие 10–20 лет. Быть может, мы можем питать такие же надежды по поводу альянса физики очень высоких энергий и космологии в ближайшее десятилетие.

Образование гелия в первые пара мин. Большого взрыва было связано с ядерными реакциями и столкновениями атомов, каковые возможно воспроизвести экспериментально. Напротив, процессы в инфляционную эру, каковые определяют такие фундаментальные космические числа, как Q, через чур экстремальны, дабы имитировать их на Земле, кроме того в ускорителях. Это усложняет задачу. Иначе, сам факт мотивирует к изучению весьма ранней Вселенной, которое может обеспечить надежную диагностику новых теорий объединения, в силу того, что это единственный момент, в то время, когда энергии были высоки, дабы продемонстрировать явные практические следствия этих теорий. В то время, когда астрономы пробуют осознать космические феномены, они в большинстве случаев пользуются результатами тех открытий, каковые физики делают в лабораториях. Быть может, на данный момент у астрономов появился шанс «отплатить услугой за услугу», открыв новые основные физические правила. Имеется и другие примеры аналогичного – скажем, нейтронные звезды расширили наши знания о материи с высокой плотностью и большой силе тяготения. Но самым показательным был сам Большой взрыв. В 1950-х гг. космология находилась вне основного русла физики – лишь пара «оригиналов» вроде Гамова обращали на нее какое-то внимание. Напротив, в настоящее время неприятности космологии вызывают интерес многих ведущих физиков-теоретиков. И это, очевидно, дает нам предлоги для оптимизма.

Микроскопические «вибрации», появившиеся, в то время, когда наша Вселенная была меньше мяча для гольфа, сейчас растягиваются через всю Вселенную. В них находятся неоднородности, из которых рождаются галактики и скопления галактик. Теоретики все еще не доказали, смогут ли инфляционные модели «естественным образом» давать объяснение числу Q, равному 10–5 и характеризующему уровень данной неоднородности. Это зависит от некоторых физических свойств, каковые все еще «не проверены в сражении». Но мы можем определить какие-нибудь детали и исключить какие-то варианты, в силу того, что отдельные версии инфляции дают совсем хорошие друг от друга предсказания. Измерения, сделанные космическими аппаратами WMAP и Planck, и наблюдения за тем, как галактики объединяются в скопления, дают ключи к инфляционной эре и данные о «физике великого объединения», которая не может быть напрямую выведена из опытов на уровне «простых» энергий.

Наровне с флуктуациями, каковые развиваются в галактиках и их скоплениях, раздувание, как полагают, формирует «гравитационные волны» – колебания в самой ткани пространства, пересекающие Вселенную со скоростью света. Объекты, попавшие под такую волну, испытывают на себе силу притяжения, которая сначала тянет их в одну сторону, а позже – в другую; в результате они легко «трясутся». Данный эффект мал, и его обнаружение действительно представляет собой огромную техническую трудность. В ходе проекта LISA Космического агентства ЕС планируется запустить на орбиту около Солнца три космических аппарата, поделённых миллионами километров. Расстояния между ними будут измеряться лазерными лучами с точностью до миллионных долей метра.

Но кроме того аппараты LISA могут быть слишком мало чувствительными чтобы поймать эти первозданные вибрации. Тогда их разработчиков успокоит то, что значительно легче будет найти другие сигналы. К примеру, интенсивный всплеск гравитационных волн создается, в то время, когда две черные дыры (The Black Hole) сталкиваются и сливаются. Мы ожидаем, что такие события иногда случаются (Первое такое событие (слияние черных дыр) было зарегистрировано в 2015 г. – Прим. авт.). В центре большинства галактик имеется черная дыра, по массе равная миллионам звезд. Пары галактик довольно часто сталкиваются и смешиваются (мы замечаем, как происходит множество таких событий). В то время, когда это случается, черные дыры (The Black Hole) в центре обеих галактик сливаются.

Так, мы можем скоро ожидать эмпирических сведений об инфляционной эре. Кроме того в случае, если нам малоизвестны соответствующие физические правила, мы можем вычислить последствия определенных допущений данной теории (значение Q, гравитационные волны и т. д.). Тогда мы сможем сравнить их с наблюдениями и, так, по крайней мере сузить круг вероятных вариантов.

Об авторе