Происхождение Вселенной

Казалось бы, мы никогда не сможем узнать, что происходило в первый миг, ведь ранняя Вселенная была скрыта за непрозрачной пеленой. Скрыта, но не совсем. От внезапного окончания периода инфляции пространство-время должно было содрогнуться, распространив тем самым гравитационные волны. Эти волны должны были пройти через первозданный огненный шар и оставить на нем свой отпечаток, сжимая и растягивая пространство-время.

Спустя бездну времени мы продолжаем видеть свечение этого огненного шара, растянутого и приглушенного расширением пространства до состояния, известного нам как космический микроволновый фон. Каждый фотон этого микроволнового излучения колеблется в определенном направлении, соответствующем его плоскости поляризации. В общем случае плоскости поляризации фотонов распределяются случайно, но некоторые процессы могут наложить свой отпечаток на крупномасштабную картину поляризации. Гравитационные волны должны формировать отчетливую вихревую структуру.

Чтобы увидеть это, нам нужен микроволновый аналог солнцезащитных очков. Этот прибор должен включать в себя конфигурацию из параллельных проволочек, пропускающих волны с определенной поляризацией и запрещающих проход других. Вращая эту установку и измеряя количество излучения, проходящего через нее, можно определить направление поляризации для излучения, приходящего из каждой точки на небе.

Было ли что-нибудь до Большого взрыва?

Инфляция стерла любое воспоминание о тех временах, которые предшествовали стадии быстрого расширения, поэтому мы вряд ли ответим на этот вопрос, просто глядя на небо. Кроме того, в самом начале Вселенная была такой горячей и плотной, что сами уравнения, которые мы используем для описания ее расширения и эволюции, не выдерживают никакой критики.

Теория, объединяющая эти уравнения с квантовой механикой, могла бы нам рассказать на языке уравнений о том, что было (и было ли вообще что-то) до Большого взрыва; но очертания этой теории по-прежнему остаются весьма расплывчатыми. А в это время теоретики продолжают фантазировать о пульсирующих вселенных, которые поочередно проходят через серию бесконечных взрывов и сжатий, или о мультивселенных, которые отпочковываются от одной первоначальной Вселенной.

Физики провели несколько экспериментов, в которых попытались найти отпечаток, оставленный гравитационными волнами. В 2014 году ученые, исследовавшие поляризацию с помощью детектора BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization), объявили, что их старания увенчались успехом. К сожалению, оказалось, что полученные результаты целиком можно отнести за счет межзвездной пыли. Но работа по поиску продолжается: ученые строят новые телескопы и детекторы и устанавливают их в высокогорных местах планеты с сухим климатом (см. далее).

Если удастся достичь поставленной цели, физики смогут точно сказать, когда, как и почему произошла инфляция. В большинстве теорий инфляции предполагается, что «спусковой механизм» сработал, когда от нулевого момента времени прошло не менее 10^–36 с, но не более 10^–33 с. В этот момент первоначальная космическая сверхсила расщепилась на три независимых силы, отвечающих за сильное ядерное взаимодействие, слабое ядерное взаимодействие и электромагнетизм. Это расщепление есть фазовый переход, подобный тому, который происходит, когда жидкая вода превращается в лед. Этот процесс сопровождался выделением энергии, которое и запустило инфляцию. Картина распределения гравитационных волн помогла бы физикам понять действие сверхсилы и создать теорию великого объединения, описывающую истинную фундаментальную структуру материи. Такая теория помогла бы ответить на вопрос, существуют ли дополнительные скрытые измерения в пространстве; если да, то они могли бы задержать инфляцию на 10^–14 с.

Но и тогда, возможно, мы увидим картину, которую инфляция объяснить не в состоянии. И теоретикам придется начинать все сначала.