космическое расширение

В сердце старого города стоит башня с часами, которые не переводили с момента постройки. По их отставанию можно вычислить, насколько растянулось время с тех пор. В космосе роль таких башен играют реликтовые галактики — плотные звёздные скопления, которые сформировались в первые миллиарды лет и с тех пор не сливались с соседями и не рождали новых звёзд.

Луч прожектора уходит в темноту, но если мысленно провести его назад, он упрётся в источник света — лампу. С историей Вселенной, возможно, то же самое: прослеживая её расширение вспять, мы упираемся в самое начало. Физики взяли самую простую модель — Вселенную, которая растягивается одинаково по всем направлениям, как куб, у которого одновременно увеличиваются все стороны.

Самые массивные звёзды напоминают перекачанные воздушные шары: их оболочка перестаёт растягиваться и вместо этого начинает стремительно терять вещество. На определённом этапе потеря массы становится столь интенсивной, что звезда прекращает увеличиваться в размерах.

Стандартная космологическая модель ΛCDM — включающая тёмную энергию и холодную тёмную материю — подобна партитуре космической симфонии. Она описывает, как после Большого взрыва расширялось пространство, как сгущалась тёмная материя и как зажигались галактики.

Гравитация — удивительно слабая сила. Маленький магнит удерживает скрепку вопреки притяжению целой планеты. Физики долго искали причину этой слабости, и одна из догадок уводит нас в скрытые измерения. Возможно, гравитация «растекается» по ним, теряя силу в нашем трёхмерном мире.

Световой луч, скользящий вдоль горизонта чёрной дыры, не просто движется — он несёт с собой тепло и информацию. Физики давно подозревали, что геометрия таких лучей подчиняется строгим правилам, но детали оставались размытыми. Новая работа превращает эти правила в чёткое неравенство.

Галактический диск похож на застывшую рябь на воде: каждое возмущение оставляет след, который можно прочитать спустя миллиарды лет. Когда мимо пролетает карликовая галактика-спутник или происходит лобовое слияние, звёзды в диске начинают колебаться — как поплавки, которые качнула волна.

Квантовый компьютер опирается на две силы: запутанность (частицы ведут себя как единое целое) и «магию» — меру того, насколько состояние далеко от привычной классической физики. Но как эти два ресурса связаны, когда система из многих частиц меняется во времени, оставалось загадкой. Авторы работы взглянули на проблему через время.

Представьте фотографию с длинной выдержкой: контуры размыты, но именно эта размытость передаёт движение. Квантовая волна — волновая функция, описывающая вероятность местоположения частицы, — напоминает такой снимок. Традиционно подобные «застывшие» волны считают удобной математической абстракцией.

Когда после Большого взрыва остывающий космос терял первозданную симметрию, в полях возникали напряжения — словно в застывающем стекле вырастают микротрещины. Глобальные монополи, предсказанные Герардом 'т Хоофтом и Поляковым, стали такими же «шрамами» на теле мироздания. Каждый монополь — крошечный, но невероятно массивный узел поля.

В большом оркестре мироздания у каждого инструмента свой ритм. Электроны в атоме совершают квантовые скачки за фемтосекунды, нейроны в мозгу обмениваются сигналами миллисекундами, а человеку, чтобы осознать «сейчас», нужны десятые доли секунды. Физики давно ищут дирижёра, который сводит эти разномасштабные партии в единую мелодию направленного времени.

Когда мы смотрим вглубь космоса, мы видим прошлое. Закон Эдвина Хаббла превращает красное смещение в машину времени: свет от галактики UDS 12999 шёл до нас 7.6 миллиарда лет — больше половины жизни Вселенной.

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная была не безмолвной пустотой, а кипящим котлом плазмы, пронизанной звуковыми волнами. Когда температура падала, космос переживал фазовые переходы — спонтанные перестройки, рождавшие пузыри новой фазы.

Вселенная не всегда расширялась. В некоторых моделях она сначала сжималась — почти пустая и плоская, — а потом, достигнув предела, оттолкнулась и пошла в рост, как привычный нам мир. Такой сценарий называют отскакивающей космологией.

В первые мгновения после рождения Вселенная могла быть многомерной — словно лист бумаги, который вдруг обрёл толщину. Эта «толщина» — дополнительные измерения — начала стремительно раздуваться. Такой сверхбыстрый рост называют инфляцией.

Кузнец куёт меч. С каждым ударом молота раскалённый металл плющится, но и сам молот, и наковальня, и воздух вокруг чуть нагреваются. Часть энергии удара безвозвратно уходит в тепло — и этот размен, знакомый каждому, кто хоть раз забивал гвоздь, оказывается ключом к самым большим загадкам космоса.

Космология переживает странные времена. С одной стороны, стандартная модель с тёмной материей и тёмной энергией прекрасно описывает крупномасштабную структуру. С другой — трещит по швам.

Классическая история рождения Вселенной из пылающей точки Большого взрыва сталкивается с неудобными вопросами: почему космос столь однороден и что было до сингулярности? Алан Гут предложил инфляцию как мгновенное раздувание, разгладившее все неровности, но сама инфляция казалась одноразовым чудом.

Космология давно ищет лазейку за Большой взрыв. Инфляция, предложенная Аланом Гутом, растягивает и сглаживает первичные неоднородности, но что зажгло сам фитиль?

Маятник сам выбирает, как ему качаться. Если толкнуть его слишком сильно, он быстро вернётся к плавному ритму. Если задержать в крайнем положении — будет стоять, но стоит отпустить, и он снова придёт в привычное движение.

Удар молнии раскалывает небо за доли секунды, оставляя ветвистый след. В то же мгновение в крошечном сверхпроводящем кристалле, охлаждённом почти до абсолютного нуля, проносится лавина магнитного поля — тонкие пальцы намагниченности пронзают материал. Кажется, между грозовым разрядом длиной в километры и событием в тысячную долю миллиметра нет ничего общего.

Вселенная не терпит однообразия. Век назад Эдвин Хаббл и Жорж Леметр подарили нам элегантную картину: расширяющийся космос, гладкий, как поверхность натянутого шара.

Представьте Вселенную как надувающийся воздушный шар: его поверхность расширяется, и галактики, словно точки на резине, удаляются друг от друга. Но квантовая механика накладывает жёсткое ограничение — невозможно одновременно с высокой точностью измерить, насколько этот «шар» велик и как быстро он раздувается.

Обычно историю Вселенной рассказывают так: было ничто, потом взрыв, и с тех пор всё разлетается. Но что, если никакого «ничто» не было? Группа физиков показала, что Вселенная могла существовать вечно — просто иногда она сжималась, а потом снова расширялась, как пружина. В их модели пространство замкнуто само на себя, словно поверхность огромного шара.

Вы меряете шагами огромный зал в полной темноте. Идёте от стены до стены, считая шаги, и вдруг понимаете: расстояния сходятся не так, как должны. Кажется, будто пол не плоский, а выгнут горбом или вогнут чашей. Примерно это астрономы обнаружили, изучая далёкие галактики и звуковые волны, застывшие в ранней Вселенной.

Воздушный шар надувают. Сначала он раздувается медленно, потом кто-то резко доливает воздух — и шар расширяется быстрее. Но вот поток воздуха слабеет, и шар снова начинает раздуваться медленнее. Примерно так, согласно новой работе, вела себя Вселенная: после Большого взрыва она расширялась, потом вдруг ускорилась, а теперь ускорение сходит на нет.

Ночное небо кажется ровным, как поверхность спокойного озера. Но если вглядеться в гамма-всплески — короткие, ослепительные взрывы, которые видны через всю Вселенную, — то в этой глади обнаруживаются волны. Учёные взяли каталог таких всплесков и разделили небо на два полушария. В южном нашлась крошечная группа: 4–5 всплесков, прижавшихся друг к другу.

Бросьте два одинаковых камешка с вершины горы: один ляжет на сантиметр левее, и через минуту они окажутся в разных долинах. Галактика — та же гора, только камешков в ней миллиарды, а склон тянется миллионы лет. Авторы новой работы смоделировали диск из 40 миллионов точек-звёзд и проверили, как быстро он забывает, где был вначале. Оказалось, почти мгновенно.

Всё началось с крошечных квантовых мерцаний — флуктуаций вакуума — на первозданном холсте ранней Вселенной. Инфляция — лавинообразное, экспоненциальное расширение пространства, предложенное Аланом Гутом, — растянула эти мазки до размеров галактик и их скоплений.

В отличие от далёких галактик, застывших для нас в древних световых образах, Млечный Путь — наш собственный звёздный дом — доступен для наблюдения в реальном времени. Сопоставив данные, накопленные за три десятилетия, исследователи зафиксировали удивительную динамику: центр Галактики словно набирает обороты.

Если смотреть на карту далёких галактик, она не идеально ровная: в одной стороне неба их чуть больше, в другой — чуть меньше. Этот перекос заметили в нескольких обзорах неба, и он не похож на случайность. Обычно его объясняют тем, что наша Галактика сама куда-то летит, и из-за этого далёкие объекты кажутся смещёнными. Но измерения не всегда сходятся с этим простым объяснением.

Вселенная похожа на гигантскую паутину: галактики не разбросаны как попало, а собраны в узлы и вдоль нитей. Внутри нитей много газа, и именно там чаще всего вспыхивают новые звёзды. Но как это менялось со временем? Учёные сравнили данные из компьютерной модели и реальные наблюдения за тысячами галактик.

В одной палате больницы +40°C, в другой +10°C, а в среднем получается +25°C. Если бы температура влияла на что-то нелинейно — скажем, на скорость размножения бактерий, — среднее значение дало бы неверный прогноз. Такая же проблема возникает, когда космологи описывают Вселенную, где галактики сбиты в скопления, а между ними зияют пустоты.

Традиционная космология отталкивается от Большого взрыва — модели, впервые предложенной Жоржем Леметром.

Часы на стене кухни тикают, и каждый их ход неумолимо уносит нас от завтрака к обеду. Это настолько привычно, что кажется законом природы — но физика говорит иначе. В уравнениях Эйнштейна время обратимо: киноплёнку можно прокрутить назад, и ни один кадр не выдаст подвоха.