космологическая однородность

Капля чернил растекается в стакане воды: края её двигаются быстрее, чем середина, и форма капли меняется. Так и сгусток тёмной материи, стягивающийся под собственной тяжестью, расширяется неравномерно — разные его оболочки разлетаются с разной скоростью. Раньше астрофизики умели точно описывать лишь самый простой случай — однородный шар с резкой границей, у которого один темп расширения.

Вглядываясь в ночное небо, мы упираемся взглядом в черноту, за которой ничего не видно. Это не просто далёкий забор — это край доступной нам Вселенной, космический горизонт. Свет от более далёких звёзд просто не успел до нас дойти. Удивительно, но эта невидимая граница ведёт себя почти как нагретая сковорода: у неё есть температура, и она подчиняется законам тепла.

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.

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная раздувалась быстрее, чем свет успевал её пересечь. Этот процесс, называемый космологической инфляцией, можно представить как надуваемый воздушный шар, только вместо резины растягивается само пространство.

Маятник в шумной комнате постоянно получает толчки от проходящих людей. Его движение — смесь регулярных качаний и случайных рывков. Нечто подобное происходит со слабыми гравитационными волнами на фоне расширяющейся Вселенной. В общей теории относительности Эйнштейна эти волны — крошечные колебания пространства-времени. Но они не изолированы.

Стандартная модель физики частиц — это каталог всех известных кирпичиков мироздания: электронов, кварков и других. Но она молчит о тёмной материи и не дружит с гравитацией. Новая работа делает смелый шаг: к каждому кирпичику из каталога добавляется его зеркальное отражение с противоположным вращением.

Первые три минуты после рождения мира — космическая кухня, где природа готовила самые лёгкие атомные ядра. Рецепт задан гравитацией: она управляет темпом остывания горячего «бульона» из частиц. Если гравитация работала иначе, чем мы привыкли, то и блюдо получилось бы другим — с иным количеством гелия и дейтерия.

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.

Бегун на середине дистанции вдруг переходит на шаг — не ускоряется и не замедляется, а сохраняет постоянный темп. Нечто подобное могло происходить с самой Вселенной вскоре после Большого взрыва. Эту фазу назвали «стазис» — от греческого слова «стояние».

В математике есть сито, просеивающее не пыль, а саму бесконечность. Его называют Q-пространством: любое множество здесь оказывается Gδ-множеством — счётным пересечением открытых, словно просеяно сквозь невиданно частую сетку.

Космологический принцип — утверждение, что Вселенная в больших масштабах однородна и изотропна, — стоит на страже нашего понимания мира со времён Эдвина Хаббла и Жоржа Леметра, чьи идеи легли в основу модели Большого взрыва.

С детства мы привыкли думать, что пространство бесконечно и изотропно. Но Эйнштейн и Леметр уже задавались вопросом: а не замкнута ли Вселенная сама на себя, подобно ленте Мёбиуса или трёхмерному тору?

Строитель проверяет прочность арки не тем, что прокручивает в голове все возможные её формы, а тем, что слегка мысленно её сдвигает и смотрит, сколько сил при этом тратится. Примерно так устроен принцип виртуальной работы в механике. Авторы новой работы перенесли этот подход на саму геометрию пространства-времени. Они построили ковариантную структуру виртуальной работы для метрики.

В начале XX века Эйнштейн показал, что гравитация — это искривление пространства и времени. Чуть раньше Максвелл объединил электричество и магнетизм в единую теорию.

Вселенную можно представить как густой лес: вблизи мы различаем отдельные деревья-галактики, собранные в группы и скопления — своего рода рощи, но издалека всё сливается в сплошную зелень. Грань, за которой космос становится однородным, называют угловым масштабом однородности — это минимальный угловой размер участка неба, начиная с которого галактики распределены равномерно, без заметных сгущений.

Фотографию с очень высоким разрешением можно увеличивать долго — и вдруг гладкое лицо рассыпается на отдельные пиксели. Нечто похожее, согласно новой работе, происходит с самим пространством-временем. Авторы предположили, что крошечные промежутки длины — это не готовые «детали» мироздания, а результаты измерений.

В самом начале, спустя мгновения после Большого взрыва, Вселенная была устроена до смешного симметрично: частиц и античастиц — поровну. Но случился перекос, крошечный, как одна лишняя песчинка на килограмм сахара, и весь привычный нам мир — звёзды, планеты, люди — возник из этого избытка. Как именно природа устроила этот перевес, до сих пор загадка.

Горячий кофе на столе остывает: тепло растекается от горячего центра к краям. Примерно так же, предполагают авторы, ведёт себя и сама Вселенная — только в масштабах миллиардов световых лет.

Капля мёда растекается по столу медленно, вода — быстро. Сопротивление течению — вязкость — у разных жидкостей своя. Но что, если вязкость меняется прямо на лету, по мере того как вещество сжимается или расширяется?

Физика часто напоминает строительство гигантского корабля — Вселенной. Инженеры-физики ещё не пришли к единому мнению о базовых чертежах.

Когда в далёкой галактике сталкиваются две мёртвые звезды, об этом событии нам сообщают два гонца: дрожь пространства — гравитационная волна — и вспышка света. Оба гонца бегут к нам через всю Вселенную, но их пути могут слегка отличаться. Свет иногда задерживается из-за космической пыли, а гравитационные волны проходят сквозь всё насквозь, почти не замечая препятствий.

Когда массивная звезда исчерпывает топливо, коллапс ядра может породить сверхновую и нейтронную звезду, но при достаточной массе ничто не останавливает сжатие — рождается чёрная дыра.

В физике есть застарелая боль. Общая теория относительности рисует начало Вселенной как точку — сингулярность, где уравнения ломаются, а объём обращается в нуль. Квантовая механика намекает, что в самый острый момент что-то идёт не так, как предсказывает классика.

Резиновая лента, которую растягивают в разные стороны, ведёт себя не так, как целый лист бумаги. Если тянуть за край, деформация распространяется не равномерно, а словно задерживается на отдельных участках.

Камень падает в пруд. Круги расходятся, затухают — и вот уже поверхность снова гладкая. Но что, если у пруда нет ни берегов, ни дна, ни даже характерного размера волны? Именно в таком мире — мире без масштаба — живут квантовые системы, когда их окружает среда, не выделяющая ни одной длины или энергии. Вода в таком пруду всегда «помнит» форму камня, и волны никогда не успокаиваются до конца.

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.

Представьте оркестр, где каждый музыкант играет одну и ту же ноту, — звук сливается в мощный унисон. Так рождается конденсат Бозе — Эйнштейна: множество частиц-бозонов при крайне низкой температуре переходят в единое квантовое состояние и ведут себя как одно…

Уравнения общей теории относительности Эйнштейна и космологическая модель Леметра неизбежно приводили к выводу: Вселенная началась из сингулярности — бесконечно плотной точки в рамках гипотезы Большого взрыва.

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.

Зимой озеро затягивается льдом — и этот простой процесс оказывается живой моделью расширяющейся Вселенной. Толщина льда нарастает по тому же математическому закону, что и расстояния между далёкими галактиками. Секрет — в движении воды под ледяной коркой. Вода у поверхности, охлаждаясь, становится плотнее и опускается, а более тёплые слои снизу поднимаются вверх.

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.

Рождение Вселенной обычно связывают с Большим взрывом — точкой бесконечной плотности, где кривизна пространства-времени и температура достигают сингулярных значений. Но в такой сингулярности законы физики теряют предсказательную силу, что давно не устраивает учёных.

Представьте физическую реальность как музыкальную шкатулку с ручкой, регулирующей скорость воспроизведения. Вращая её медленно, мы слышим строгую, предсказуемую мелодию: бильярдные шары катятся по чётким траекториям, планеты движутся по орбитам — это классическая механика.

В почти пустых областях космоса — войдах — галактики демонстрируют согласованное вращение, словно танцоры в слаженной труппе. Этот «танец» порождает разницу в свете, приходящем с противоположных сторон: с одной — красное смещение (растяжение волн), с другой — синее смещение (сжатие).

Галактики во Вселенной не разбросаны как попало: соседние движутся в одну сторону, как стайка рыб, а далёкие — каждая сама по себе. Где проходит граница между «вместе» и «врозь», до сих пор было неясно. Астрономы придумали новую меру — масштаб, на котором среднее движение галактик вдоль линии, соединяющей пару, перестаёт быть согласованным и начинает противоречить друг другу.

Ранняя Вселенная была далека от совершенства: одни её области растягивались быстрее других, создавая складки и перекосы в ткани пространства-времени. Однако квантовый отскок — переход от сжатия к расширению, вызванный законами микромира, — всё исправляет.

В первые мгновения после Большого взрыва пространство расширялось с невероятной скоростью. Крошечная квантовая рябь, заложенная в самом принципе неопределённости, расталкивала вещество сильнее, чем любая известная сила. Эта рябь — обобщённый принцип неопределённости, или GUP.