расширение вселенной

Тусклые галактики, рассеянные по скоплению Персея, напоминают призраков среди ярких соседей: они настолько разрежены, что сквозь них просвечивают далёкие объекты, а звёзд в них в сотни раз меньше, чем в нашем Млечном Пути.

Обычный лазерный луч распространяется прямолинейно, подобно свету фонарика. Однако свет можно закрутить в спираль, напоминающую нить штопора. Такой луч несёт орбитальный угловой момент (ОУМ) — свойство, при котором свет не просто освещает, но и вращает всё, что встречает на пути. Физики направили этот закрученный свет в плазму, чтобы разогнать электроны.

Жидкость, обтекающая препятствие, рождает вихри и ударные волны. Описать их поведение — значит решить нелинейное уравнение, в котором скорость течения зависит от самой себя. Классические суперкомпьютеры тратят на это дни, а квантовые до сих пор почти не применялись: их естественный язык — линейные операции, а жидкость «нелинейна» по своей природе.

В первые мгновения после Большого взрыва вещество и антивещество должны были родиться в равных количествах — таковы законы симметрии физики элементарных частиц. Но сегодня вокруг нас — обычное вещество (протоны, нейтроны, электроны), а антивещество (антипротоны, позитроны и т.д.) почти не встречается. Куда оно делось?

В первые полмиллиарда лет после Большого взрыва галактики росли как на дрожжах. Газ стремительно падал в них и схлопывался в звёзды, не встречая сопротивления. Этот период называют «беспрепятственным звездообразованием». Всё равно что жарить блины на раскалённой сковороде без крышки: брызги летят, но никто их не сдерживает.

Звёзды похожи на волчки: рождаются быстрыми, а со временем замедляются. Этот процесс — как песочные часы: чем медленнее вращается звезда, тем она старше. Астрономы используют эту закономерность, чтобы определять возраст звёзд, но для этого нужны эталонные группы звёзд с известным возрастом.

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.

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.

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.

Лампа спрятана за большим аквариумом с водой. Вы видите не один источник света, а несколько его отражений и преломлений — вода искривляет путь лучей. Примерно так же массивная галактика работает как гигантская гравитационная линза: её гравитационное поле искривляет лучи далёкого квазара (яркого ядра галактики), и на небе появляется сразу несколько его копий.

Квантовая теория поля — это язык, на котором физики описывают элементарные частицы и их взаимодействия. Авторы работы решили немного «подправить» этот язык — ввели деформации, то есть небольшие изменения правил игры.

Шесть бегунов мчатся по дорожке, и судьи замеряют их скорость, не замечая попутного ветра. Ветер дует всем в спину, и секундомеры показывают результат лучше истинного. Примерно так шесть мегамазеров — естественных космических лазеров в далёких галактиках — ввели в заблуждение астрономов, измерявших скорость расширения Вселенной.

Ночное небо кажется случайной россыпью звёзд. Но если разглядеть его на огромных расстояниях, хаос исчезает. Галактики собираются в длинные нити и плоские стены, а между ними зияют исполинские пустоты — космические войды. Эту конструкцию называют космической паутиной. Чтобы описать такую сложную систему, недостаточно просто посмотреть на картинку.

Всё началось с растяжения. В первые доли секунды Вселенная раздулась — физики называют это инфляцией: экспоненциальное расширение, за которым стояло скалярное поле с огромной потенциальной энергией. Потом стремительное расширение сменилось фазой, где энергия поля перешла в обычные частицы.

Гравитационная волна — это колебание самой ткани пространства-времени, порождённое, например, слиянием чёрных дыр. Представьте её как звон колокола в ночи: по громкости можно судить о расстоянии до источника.

Представьте кастрюлю с кипящей кашей: пузыри лопаются, пар вырывается наружу, перемешивая всё содержимое. Примерно так же ведут себя массивные звёзды в гигантских облаках газа. Их излучение и звёздный ветер — потоки заряженных частиц — выдувают огромные полости, называемые молекулярными пузырями, разбрасывая вещество по округе.

Нейтрон, один из строительных блоков атомного ядра, согласно уравнениям мог бы обладать заметным электрическим дипольным моментом — то есть вести себя как крошечный магнит. Однако в реальности этот эффект почти не проявляется, что создаёт загадку, известную как проблема сильного CP-нарушения.

Представьте завод, способный выпускать миллион деталей в час, но по какой-то причине производящий лишь сотню. Примерно так ведёт себя наша Вселенная, если рассматривать её через призму энтропии — физической величины, характеризующей степень беспорядка, которая, согласно второму началу термодинамики, в замкнутой системе должна только возрастать.

Ранняя Вселенная напоминает туго сжатую пружину. В первые мгновения она расширялась с невообразимой скоростью — этот этап называют инфляцией.

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная пережила стремительное расширение — инфляцию. Движущей силой этого процесса было гипотетическое поле инфлатона, чья энергия расталкивала пространство подобно тому, как дрожжи заставляют подниматься тесто.

Представьте завод, способный выпускать миллион деталей в час, но по какой-то причине производящий лишь сотню. Примерно так ведёт себя наша Вселенная, если рассматривать её через призму энтропии — физической величины, характеризующей степень беспорядка, которая, согласно второму началу термодинамики, в замкнутой системе должна только возрастать.

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.

Магнитное зеркало — это открытая с обоих концов труба, в которой магнитное поле устроено так, чтобы удерживать горячую плазму — ионизированный газ, состоящий из заряженных частиц. На концах поле сгущается, образуя «пробки»: частицы, летящие к выходу, отражаются от этих областей и возвращаются обратно.

Ранняя Вселенная — не просто горячий бульон из частиц. В первые доли секунды в ней могла нарушиться зеркальная симметрия (чётность): мир и его отражение стали бы не совсем одинаковыми.

Гонка за термоядерной энергией напоминает попытку удержать молнию в бутылке. Десятилетиями физики бьются над тем, чтобы воссоздать на Земле процессы, питающие Солнце.

Ранняя Вселенная напоминала не спокойный пруд, а бурлящий котёл. Вещество в ней текло, сталкивалось, завихрялось — и всё это на фоне стремительного расширения самого пространства. Чтобы понять, как из этой горячей каши родились звёзды и галактики, физики строят цифровые симуляции — компьютерные модели, воспроизводящие физические процессы по законам теории.

Часы во Вселенной — штука хитрая. Обычно в расчётах рождения мира роль часов играет особое скалярное поле — нечто вроде невидимой жидкости, заполняющей всё пространство. Оно тикает, а физики смотрят, как меняется мир относительно этого тиканья. Но часы эти — рукотворные, их ввели для удобства. Авторы новой работы пошли другим путём.

В 1929 году Эдвин Хаббл навёл телескоп на далёкие галактики и обнаружил: они разбегаются. Девяносто лет спустя два измерения скорости этого разбегания — по древнему свету и по близким звёздам — упрямо не сходятся. Расхождение в 9% не спишешь на погрешность. Словно Вселенная в детстве и в зрелости живёт по разным часам. Представьте детские качели.

Синоптик проводит жирную чёрную линию через всю Европу: к северу мороз, к югу оттепель. Эта граница — нулевая изотерма — не сообщит, какая температура в Стокгольме или Риме, но предельно честно скажет, где заканчивается зима. В космологии последних лет появилась карта, на которой можно провести аналогичный рубеж.

Первые мгновения после Большого взрыва: пространство стремительно раздувается — физики называют этот период инфляцией. Внутри этой разбухающей ткани, словно мыльные пузыри в струе воздуха, начинают зарождаться области нового вакуума — происходит фазовый переход первого рода. Большинство пузырей лопаются или сливаются, едва появившись.

В 1433 парах галактик, разбросанных по небу, астрономы заметили необычный узор. Соседи, оказавшиеся «над» или «под» массивной звёздной системой, содержат до четверти больше кислорода, чем те, что лежат в плоскости её диска.

Вселенная пронзительно звенела в первые мгновения. В эпоху инфляции, когда пространство расширялось быстрее света, энергии были чудовищны — в триллионы раз выше, чем в Большом адронном коллайдере.

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.

Ранняя Вселенная росла с чудовищной скоростью — за ничтожные доли секунды раздулась до гигантских размеров. Физики описывают этот рывок одной величиной: показателем степени в формуле, похожей на крутизну горки. Чем круче горка, тем быстрее скатывается шарик — то есть тем стремительнее расширялось пространство.

Космология попала в интересную переделку. Два главных способа заглянуть в прошлое Вселенной — по раннему свечению (реликтовому излучению) и по более поздним объектам вроде сверхновых — выдают разные числа для скорости расширения (постоянной Хаббла) и для того, насколько комковато разбросано вещество.

На заре времён Вселенная пережила краткий миг бешеного раздувания — инфляцию. Крошечные квантовые дрожания пространства-времени растянулись до космических масштабов. Эти дрожания — первичные неоднородности — стали теми семенами, из которых позже выросли галактики и звёзды.

Космическая рябь начинается с крошечных сгустков. Через 380 000 лет после Большого взрыва Вселенная была почти однородной — перепады плотности составляли лишь одну стотысячную. Но гравитация превратила эти слабые всплески в галактики, скопления и гигантские пустоты.

В первые мгновения после рождения Вселенная раздулась быстрее, чем зажигается спичка. Этот процесс называют инфляцией. Она объясняет, почему сегодняшний космос такой однородный и плоский. Но что случилось до неё? Возможно, тогда работали законы квантовой гравитации — и их следы можно найти в данных.