Мы – это квантовые флуктуации. Вселенная Тёрстона

Мы – это квантовые флуктуации

Следующим шагом было перенесение проекта на спутник, чтобы полностью исключить любые помехи от микроволнового излучения в нашей атмосфере. На этом этапе Смут взял в руки бразды правления (и поиск финансирования) по нашему проекту, а я постепенно от него отошел. Было понятно, что ему моя помощь не нужна, а бюрократия NASA мне надоела. Это подтвердилось на практике: изменения в нашей измерительной аппаратуре были минимальными, зато сопротивление американского правительственного аппарата оказалось значительным. Джордж продолжил работу, но прошло еще долгих 14 лет (1978− 1992), пока ему удалось вывести наши измерительные инструменты в космос и приступить к измерениям.

Для столь длительной затяжки с экспериментом не было никаких фундаментальных причин (вполне можно было уложиться для подготовки космической части проекта и в 4 года), однако работа с правительственной машиной была обставлена огромным количеством бюрократических препон, которые часто совсем не учитывали интересов науки. Каждые несколько лет NASA требовало от Смута модифицирования аппаратуры, чтобы она подходила к другому типу космического корабля. Сначала ее хотели отправить в космос на беспилотной ракете, затем NASA решило, что программу космических челноков необходимо «нагрузить» максимальным научным содержанием (ради оправдания роста расходов на нее! ), что серьезно задержало проект. В дополнение ко всему, использование аппаратуры в пилотируемых космических станциях подразумевало строгое тестирование, чтобы она не создала какой‑ то угрозы жизни астронавтов. После этого NASA еще раз передумало и решило запустить аппаратуру на непилотируемом корабле, но ее предстояло переделать так, чтобы задействовать в совершенно другом эксперименте по измерению спектра излучения (то есть плотности его мощности на разных частотах).

Результаты, полученные Смутом и его новой командой в космосе, без помех атмосферы, были обеспечены в 30 раз бо льшей чувствительностью измерений по сравнению с теми, которые мы выполняли с помощью U‑ 2. Впервые была обнаружена естественная анизотропия, что немного не согласовывалось с космологическим принципом. Сгустки материи и возмущения, которые они нашли, были как раз тем, что считалось следами Большого взрыва. Эта теория и предполагала, что Вселенная началась как весьма однородная, но не до конца. Квантовые флуктуации, определяющиеся принципом неопределенности Гейзенберга, могли создать небольшие сгустки материи, которые под влиянием локальных сил гравитации разрастались, формируя структуры, а они в конечном счете превращались в огромные кластеры и галактики.

Это было очень любопытно и даже удивительно, что космология – царство сверхбольших размеров – стала более понятна через законы квантовой физики, прежде отслеживаемые только в микромире. Стивен Хокинг назвал это открытие «самым волнующим событием в физике», которое он испытывал за всю свою жизнь. Обнаруженное космическое микроволновое излучение, подтвердившее теорию Большого взрыва, стало самым глубоким источником информации о природе Вселенной за первые полмиллиона лет после взрыва. За это исследование Смут получил Нобелевскую премию.

Пока мы с вами подошли не к началу времени, а только к отметке в полмиллиона лет после него. Для человека «полмиллиона лет» звучит как невероятно огромное число, но если сравнить с 14 миллиардами лет, прошедшими с тех пор, получается, что нам удалось сфотографировать Вселенную такой, какой бывает ребенок нескольких часов от роду. И что важно, это была не теория, а данные реальных наблюдений.

Позднее результаты измерений были улучшены благодаря спутнику WMAP. Новые результаты позволили увидеть, что даже через полмиллиона лет Вселенная не была однородной: в ней начали образовываться сгустки материи.

Вселенная Тёрстона

Судьба удостоила меня чести быть двоюродным братом одного из величайших математиков современности – Билла Тёрстона[140]. Мы жили по соседству в кампусе университета Беркли и часто говорили о нашей научной карьере (еще докторантом он был убежден, что никогда не найдет для себя хорошую работу), о математике и физике. Билл очень увлекся моими рассказами о том, что мы знаем о Вселенной. Он интересовался, рассматривает ли кто‑ либо всерьез концепцию «мультисвязанной» Вселенной. Имел ли он в виду кротовые норы, посредством которых потенциально могли быть соединены разные части Вселенной? Нет, в голове у него была гораздо более простая и элегантная идея.

В конечном счете Билл стал знаменит благодаря достижениям в топологии и сложных геометрических многообразиях, которые выходят за пределы нашего воображения. Он говорил, что овладел навыком думать четырехмерно. Немногие верили, пока он не сформулировал множество блестящих теорем, которые открыл, по его словам, наблюдая за поверхностями в четырехмерном пространстве, существовавшем в его голове. Странно, но оказывается, что математические проблемы в трех и менее измерениях относительно просты. Пятимерные модели тоже решаемы. Самыми сложными считаются модели четырехмерные. За свои работы по четырехмерному многообразию Билл, еще не достигший 40 лет, получил премию Филдса, которая для математиков приравнивается к Нобелевской.

В топологии вы можете продвинуться в пространстве, а потом обнаружить, что вернулись к точке старта. Такой результат обычен для искривленного пространства (как поверхность Земли). Но он может иметь место и в неискривленном пространстве. Космологи называют его «плоским», хотя оно и существует в трех измерениях. Подразумевается, что в очень больших масштабах свет распространяется только по прямой, а не изогнутой линии; в таком пространстве действуют законы обычной эвклидовой геометрии; сумма всех углов треугольника при всех условиях составляет 180°.

Вопрос Билла был следующим: реальная Вселенная проста, или это мультисвязанная структура? Он хотел понять, могут ли измерения в космологии исключить последний вариант. Я не могу представить такие измерения. А могут ли измерения подтвердить его предположения? Над этим следует серьезно задуматься.

Думаю, что концепция Вселенной Тёрстона (как я ее называю) – замечательная новая идея. Эта Вселенная мультисвязана, например с помощью кротовых нор, однако в ней отсутствуют серьезные пространственные искажения. И эту модель можно проверить. Я не считаю ее даже приблизительно настолько же безумной, как 11‑ мерные пространственно‑ временные континуумы, применяемые в некоторых теориях струн.

Я несколько недель пытался доказать, что модель Тёрстона ошибочна. И старался отыскать аргументы ее правильности. Чтобы проверить свои предположения, попытался заглянуть в далекий космос и увидеть Млечный Путь, нашу Галактику. Возможно, одна из галактик на фотографии с телескопа «Хаббл» и есть мы! Но вижу я ее не такой, какая она сейчас, а такой, как она выглядела миллиард лет назад. Вот это да! Если размышления Билла верны, мы могли бы смотреть в прошлое, не исходя из представления об однородной Вселенной. Мы могли бы на самом деле узнать себя. За миллиард лет галактики и их группы значительно эволюционировали. Я упорно размышлял над способами проверить идею Билла, но в конце концов сдался. Это было в 1980‑ е. Сейчас научный инструментарий кардинально изменился. Когда‑ нибудь я вновь вернусь к гипотезе Тёрстона.

Этот пример иллюстрирует занятия экспериментаторов в свободное время. Мой наставник в физике, Луис Альварес, считал, что по пятницам после обеда ученые должны предаваться самым фантастическим размышлениям. Если вы специально не выделите такое время, никогда не сможете найти его. Это все равно что тренировка.