Масштабная линейка Вселенной

(Саха­ров и кос­мо­ло­гия)

В преды­ду­щей ста­тье, посвя­щен­ной вкла­ду Андрея Дмит­ри­е­ви­ча Саха­ро­ва в кос­мо­ло­гию, (ТрВ № 79), речь шла о бари­он­ной асим­мет­рии Все­лен­ной и его пио­нер­ской рабо­те на эту тему. Сей­час мы рас­ска­зы­ва­ем о более ран­ней, тоже пио­нер­ской рабо­те, в кото­рой был тео­ре­ти­че­ски пред­ска­зан эффект, полу­чив­ший впо­след­ствии назва­ние «Саха­ров­ские осцил­ля­ции». Обе рабо­ты в какой-то сте­пе­ни опе­ре­ди­ли вре­мя, обе были частич­но осно­ва­ны на непра­виль­ных пред­по­ло­же­ни­ях, но тем не менее вер­ны в прин­ци­пе, обе име­ли дале­ко иду­щее раз­ви­тие в после­ду­ю­щие деся­ти­ле­тия.

Рас­пре­де­ле­ние мате­рии в совре­мен­ной Все­лен­ной неод­но­род­но на мас­шта­бах до при­мер­но 100 мега­пар­сек (300 мил­ли­о­нов све­то­вых лет). Она выгля­дит как гигант­ская застыв­шая пена типа мон­таж­ной, исполь­зу­е­мой для уста­нов­ки окон: почти пустые пузы­ри (так назы­ва­е­мые вой­ды) и стен­ки. Отку­да взя­лась эта струк­ту­ра? Ясно, что она — резуль­тат гра­ви­та­ци­он­ной неустой­чи­во­сти — той же самой, что застав­ля­ет обла­ка кос­ми­че­ско­го газа и пыли сгу­щать­ся в звез­ды. Задол­го до откры­тия этой струк­ту­ры Я.Б. Зель­до­вич тео­ре­ти­че­ски пока­зал, что гра­ви­та­ци­он­ная неустой­чи­вость в ран­ней Все­лен­ной долж­на дать имен­но такую пену (пере­се­ка­ю­щи­е­ся «бли­ны» в тер­ми­но­ло­гии Зель­до­ви­ча с кол­ле­га­ми) в резуль­та­те роста пер­во­на­чаль­ных воз­му­ще­ний плот­но­сти, неясен был толь­ко ее мас­штаб. Реаль­ная кар­ти­на про­ри­со­ва­лась толь­ко к кон­цу 80-х, когда «пена» про­ри­со­ва­лась на трех­мер­ных кар­тах скоп­ле­ний галак­тик по дан­ным обзо­ров. Но глав­ный вопрос оста­вал­ся: из каких началь­ных воз­му­ще­ний скон­ден­си­ро­ва­лась «пена» круп­но­мас­штаб­ной струк­ту­ры Все­лен­ной?

Рабо­та А.Д. Саха­ро­ва, о кото­рой идет речь, дела­лась в пер­вой поло­вине 60-х годов и была опуб­ли­ко­ва­на в 1965 г. Тогда про круп­но­мас­штаб­ную струк­ту­ру ниче­го не зна­ли. Но все рав­но сто­ял вопрос: как воз­ник­ли скоп­ле­ния галак­тик и сами галак­ти­ки, отку­да взя­лись началь­ные воз­му­ще­ния, из кото­рых они сгу­сти­лись?

В то вре­мя не зна­ли мно­гих дру­гих вещей: еще не была сфор­ми­ро­ва­на кон­цеп­ция раз­ду­ва­ю­щей­ся Все­лен­ной, еще не было откры­то релик­то­вое излу­че­ние. Послед­нее обсто­я­тель­ство дела­ло тео­рию горя­чей Все­лен­ной недо­ка­зан­ной гипо­те­зой, что поз­во­ля­ло пред­по­ла­гать, что Все­лен­ная роди­лась плот­ной, но холод­ной. Модель горя­чей Все­лен­ной была попу­ляр­ной, но Я.Б. Зель­до­вич, чей авто­ри­тет в кос­мо­ло­гии был бес­спо­рен, в то вре­мя про­па­ган­ди­ро­вал модель холод­ной Все­лен­ной.

Исход­ные пред­по­ло­же­ния А.Д. в дан­ной рабо­те тако­вы:

1. Пер­во­на­чаль­ные воз­му­ще­ния плот­но­сти в ран­ней Все­лен­ной име­ют при­ро­ду кван­то­вых флук­ту­а­ций. Это пред­по­ло­же­ние и поныне лежит в фун­да­мен­те кос­мо­ло­гии.

2. Воз­му­ще­ния воз­ник­ли в самом нача­ле Боль­шо­го взры­ва, при план­ков­ской плот­но­сти, когда силь­ны эффек­ты кван­то­вой гра­ви­та­ции, и даль­ше эво­лю­ци­о­ни­ро­ва­ли в соот­вет­ствии с рас­ши­ре­ни­ем Все­лен­ной. По наи­бо­лее попу­ляр­ным совре­мен­ным пред­став­ле­ни­ям, это не так: воз­му­ще­ния, опре­де­лив­шие «лицо» Все­лен­ной, воз­ник­ли поз­же — на ста­дии экс­по­нен­ци­аль­но­го раз­ду­ва­ния (инфля­ции) Все­лен­ной. Прин­ци­пи­аль­ной раз­ни­цы здесь нет, одна­ко раз­ду­ва­ю­ща­я­ся Все­лен­ная поз­во­ля­ет решить еще дру­гие про­бле­мы кос­мо­ло­гии, кото­рые А.Д. в сво­ей ста­тье не рас­смат­ри­вал.

3. Изна­чаль­но тем­пе­ра­ту­ра Все­лен­ной рав­на нулю. Это оши­боч­ное пред­по­ло­же­ние, кото­рое, по при­зна­нию само­го А.Д., силь­но сни­зи­ло цен­ность рабо­ты. Оно сде­ла­но под вли­я­ни­ем Я.Б. Зель­до­ви­ча, на кото­ро­го А.Д. ссы­ла­ет­ся в сво­ей ста­тье по это­му пово­ду. Одна­ко эта ошиб­ка не ста­ла фаталь­ной, посколь­ку урав­не­ния состо­я­ния (связь меж­ду плот­но­стью энер­гии и дав­ле­ни­ем) в горя­чей и холод­ной моде­лях сов­па­да­ют до неко­то­ро­го момен­та.

Из физи­ки пер­вых мгно­ве­ний

Что про­ис­хо­дит с пер­вич­ны­ми воз­му­ще­ни­я­ми при рас­ши­ре­нии Все­лен­ной? Они ста­но­вят­ся аку­сти­че­ски­ми вол­на­ми, дви­га­ю­щи­ми­ся со ско­ро­стью зву­ка, участ­вуя в общем рас­ши­ре­нии. Хоро­шо извест­но, чему рав­на ско­рость зву­ка в самой ран­ней Все­лен­ной: с/7(3), где с — ско­рость све­та. Это резуль­тат так назы­ва­е­мо­го уль­тра­ре­ля­ти­вист­ско­го урав­не­ния состо­я­ния, когда дав­ле­ние в сре­де рав­но одной тре­ти плот­но­сти энер­гии, p = e/​3. Послед­няя вклю­ча­ет энер­гию покоя частиц, поэто­му в раз­ре­жен­ном газе из холод­ных, а зна­чит мед­лен­ных, частиц дав­ле­ние мно­го мень­ше плот­но­сти энер­гии, а ско­рость зву­ка мно­го мень­ше ско­ро­сти све­та. Наобо­рот, уль­тра­ре­ля­ти­вист­ское урав­не­ние состо­я­ния воз­ни­ка­ет, когда в сре­де части­цы дви­га­ют­ся со ско­ро­стью, близ­кой к ско­ро­сти све­та.

В горя­чей Все­лен­ной уль­тра­ре­ля­ти­вист­ское урав­не­ние состо­я­ния дер­жит­ся доволь­но дол­го – око­ло 300 тыс. лет. Пер­вые доли секун­ды оно под­дер­жи­ва­ет­ся за счет того, что все части­цы дви­га­ют­ся почти со ско­ро­стью све­та из-за высо­кой тем­пе­ра­ту­ры. Потом тем­пе­ра­ту­ра пада­ет настоль­ко, что про­то­ны ста­но­вят­ся нере­ля­ти­вист­ски­ми (дви­жу­щи­ми­ся суще­ствен­но мед­лен­ней ско­ро­сти све­та). Одна­ко они выго­ра­ют, про­ан­ни­ги­ли­ро­вав с анти­про­то­на­ми, их чис­ло умень­ша­ет­ся на девять поряд­ков вели­чи­ны (см. преды­ду­щую ста­тью в ТрВ-Н № 79, http://trv-science.ru/2011/05/24/). Даль­ше в тече­ние секунд во Все­лен­ной доми­ни­ру­ют без­мас­со­вые фото­ны и лег­кие элек­тро­ны с пози­тро­на­ми. Послед­ние тоже анни­ги­ли­ру­ют друг с дру­гом, когда ста­но­вят­ся нере­ля­ти­вист­ски­ми, при этом элек­тро­нов тоже оста­ет­ся одна мил­ли­ард­ная от их преж­не­го чис­ла. Далее в плот­но­сти энер­гии Все­лен­ной доми­ни­ру­ют фото­ны. Про­то­ны хоть и тяже­лые, но их в мил­ли­ард раз мень­ше — мно­го­чис­лен­ные фото­ны под­дер­жи­ва­ют уль­тра­ре­ля­ти­вист­ское состо­я­ние еще око­ло 300 тыс. лет. Тогда же, через 370 тыс. лет после Боль­шо­го взры­ва, про­ис­хо­дит еще одно важ­ное собы­тие, но об этом — ниже.

В холод­ной Все­лен­ной рабо­та­ет совсем дру­гая физи­ка, кото­рая тоже обес­пе­чи­ва­ет уль­тра­ре­ля­ти­вист­ское урав­не­ние состо­я­ния, но толь­ко пер­вые доли секун­ды. Это чисто кван­то­ме­ха­ни­че­ский эффект, в его осно­ве лежит прин­цип Пау­ли, запре­ща­ю­щий двум про­то­нам или двум элек­тро­нам нахо­дить­ся в одном кван­то­ме­ха­ни­че­ском состо­я­нии.

Тот же самый прин­цип не дает всем элек­тро­нам в ато­ме сесть на низ­ший энер­ге­ти­че­ский уро­вень. В плот­ном газе прин­цип Пау­ли тоже застав­ля­ет элек­тро­ны рас­пре­де­лять­ся по раз­ным энер­ги­ям (точ­нее, по импуль­сам, где направ­ле­ние тоже име­ет зна­че­ние).

Рис. 1. Кар­та флук­ту­а­ций релик­то­во­го излу­че­ния, полу­чен­ная кос­ми­че­ским аппа­ра­том WMAP после вычи­та­ния фона и диполь­ной ком­по­нен­ты. Послед­няя свя­за­на глав­ным обра­зом с эффек­том Допле­ра от дви­же­ния Сол­неч­ной систе­мы. Вычтен­ный фон свя­зан глав­ным обра­зом с галак­ти­кой и отдель­ны­ми вне­га­лак­ти­че­ски­ми источ­ни­ка­ми. Флук­ту­а­ции по срав­не­нию со сред­ним уров­нем релик­то­во­го излу­че­ния неве­ли­ки — все­го 10–5 по поряд­ку вели­чи­ны

Если тем­пе­ра­ту­ра рав­на нулю, части­цы рав­но­мер­но запол­ня­ют объ­ем сфе­ры в про­стран­стве импуль­сов. Такой газ частиц назы­ва­ют вырож­ден­ным Фер­ми-газом, а мак­си­маль­ную энер­гию частиц, ниже кото­рой весь фазо­вый объ­ем запол­нен,— энер­ги­ей Фер­ми. Чем боль­ше плот­ность, тем выше энер­гия Фер­ми. Если энер­гия Фер­ми мно­го боль­ше энер­гии покоя части­цы, име­ем p = e/​3 даже при нуле­вой тем­пе­ра­ту­ре.

Через доли секун­ды после нача­ла рас­ши­ре­ния холод­ной Все­лен­ной энер­гия Фер­ми ста­но­вит­ся мень­ше мас­сы про­то­на, и ско­рость зву­ка пада­ет прак­ти­че­ски до нуля.

В общем, с точ­ки зре­ния аку­сти­ки, началь­ные эта­пы рас­ши­ре­ния в холод­ной и горя­чей Все­лен­ной каче­ствен­но похо­жи: урав­не­ние состо­я­ния то же самое, ско­рость зву­ка та же самая, и там и там про­ис­хо­дит пере­ход к нере­ля­ти­вист­ско­му урав­не­нию состо­я­ния, толь­ко в очень раз­ное вре­мя.

Сто­я­чие вол­ны

Итак, вна­ча­ле были кван­то­вые пер­вич­ные воз­му­ще­ния плот­но­сти. Они ста­ли рас­про­стра­нять­ся по Все­лен­ной, как зву­ко­вые вол­ны, со ско­ро­стью, срав­ни­мой со ско­ро­стью све­та.

Любые коле­ба­ния, под­чи­ня­ю­щи­е­ся линей­ным диф­фе­рен­ци­аль­ным урав­не­ни­ям, будь то звук или свет, мож­но сме­ло рас­кла­ды­вать на вол­ны раз­ных длин и смот­реть по отдель­но­сти, что про­ис­хо­дит с каж­дой из них.

Для нача­ла допустим,что некая все­лен­ная вне­зап­но воз­ник­ла, будучи в целом одно­род­ной, но с локаль­ны­ми воз­му­ще­ни­я­ми плот­но­сти? и не рас­ши­ря­ет­ся (это внут­ренне про­ти­во­ре­чи­вая кар­ти­на, но мы ее исполь­зу­ем лишь для иллю­стра­ции). Началь­ные неод­но­род­но­сти, если они были хао­ти­че­ски­ми (слу­чай­ны­ми), пре­вра­тят­ся в вол­ны, раз­ных длин скла­ды­ва­ю­щи­е­ся в хао­ти­че­скую кар­ти­ну. Спектр этих волн в про­из­воль­ный момент вре­ме­ни при­мер­но повто­ря­ет спектр началь­ных воз­му­ще­ний, хаос оста­ет­ся хао­сом. Но может быть более инте­рес­ная ситу­а­ция: вол­ны могут ока­зать­ся сто­я­чи­ми.

При­мер сто­я­чей вол­ны — коле­ба­ния стру­ны на гита­ре. Вся стру­на в один момент выпрям­ля­ет­ся, через чет­верть пери­о­да мак­си­маль­но изги­ба­ет­ся, потом сно­ва цели­ком выпрям­ля­ет­ся и т.п. В слу­чае со стру­ной «сто­я­честь» коле­ба­ний обес­пе­чи­ва­ет­ся закреп­лен­ны­ми кон­ца­ми. Дру­гой при­мер: сто­я­чие вол­ны око­ло бетон­ной сте­ны при­ча­ла в пор­ту. Точ­но так же на одном и том же месте то воз­ни­ка­ют высо­кие вол­ны, то поверх­ность воды раз­гла­жи­ва­ет­ся. Там нет закреп­лен­ных кон­цов, но есть отра­жен­ная вол­на, кото­рая, сум­ми­ру­ясь с набе­га­ю­щей, дает сто­я­чие вол­ны.

Любую кар­ту началь­ных воз­му­ще­ний мож­но раз­ло­жить в ряд Фурье, чле­ны кото­ро­го будут иметь вид плос­ких волн: Ck cos(xk + фк), где x — коор­ди­на­та, k — вол­но­вой век­тор фк — фаза. Реше­ние вол­но­во­го урав­не­ния для зву­ко­вых коле­ба­ний хоро­шо извест­но: каж­до­му чле­ну раз­ло­же­ния будут соот­вет­ство­вать плос­кие вол­ны: С cos(xk — t+ф.). Здесь v — часто­та коле­ба­ний вол­ны, кото­рая свя­за­на с вол­но­вым век­то­ром через ско­рость зву­ка v: v = k v.

Если ско­рость веще­ства вна­ча­ле рав­на нулю, то началь­ные воз­му­ще­ния ста­тич­ны, т.е. они не зави­сят от вре­ме­ни. В этом слу­чае вол­ны мож­но сгруп­пи­ро­вать по сим­мет­рич­ным парам с про­ти­во­по­лож­но направ­лен­ны­ми вол­но­вы­ми век­то­ра­ми: 0.5 Ck cos(xk — tv+ φk) + 0.5 Ck cos(–xk — tv-φk) (т.е. Ck = С-k, φk = –φk).

Дей­стви­тель­но, поло­жив t = 0, полу­ча­ем исход­ное раз­ло­же­ние, а про­диф­фе­рен­ци­ро­вав по вре­ме­ни, полу­ча­ем нуль при t = 0. Нако­нец, раз­ло­жив коси­нус сум­мы двух углов, полу­ча­ем сто­я­чие вол­ны вида Ck cos(xk + фк)cos(tv), т.е. ампли­ту­да волн с дан­ной часто­той будет син­хрон­но и пери­о­ди­че­ски менять­ся во всем про­стран­стве.

Ока­зы­ва­ет­ся, и в целой все­лен­ной мож­но полу­чить сто­я­чие зву­ко­вые вол­ны. Самая про­стая воз­мож­ность (хотя и не един­ствен­ная) — потре­бо­вать, что­бы все началь­ные воз­му­ще­ния во все­лен­ной были ста­тич­ны­ми, т.е. началь­ные ско­ро­сти веще­ства в них были рав­ны нулю. Тогда все воз­ник­шие вол­ны мож­но будет раз­бить на про­ти­во­по­лож­но направ­лен­ные сим­мет­рич­ные пары плос­ких волн — как вол­ны у сте­ны при­ча­ла, и их сум­ма даст имен­но сто­я­чие волны,синхронно исче­за­ю­щие и вырас­та­ю­щие во всем про­стран­стве. Что­бы про­ве­рить это само­му, доста­точ­но зна­ний кур­са общей физи­ки и уме­ния раз­ла­гать коси­нус сум­мы двух углов (см. врез­ку).

Какой будет кар­ти­на зву­ко­вых коле­ба­ний плот­но­сти во все­лен­ной в слу­чае сто­я­чих волн? На глаз она по-преж­не­му будет казать­ся хао­тич­ной, но если постро­ить спектр флук­ту­а­ций плот­но­сти в про­стран­стве (для это­го надо кар­ту плот­но­сти сре­ды во все­лен­ной под­верг­нуть пре­об­ра­зо­ва­нию Фурье), то выявит­ся уди­ви­тель­ная вещь: он пери­о­ди­чен!

Спектр неод­но­род­но­стей в зави­си­мо­сти от их раз­ме­ра L будет про­пор­ци­о­на­лен cos(p T v/​L), где Т — воз­раст все­лен­ной (счи­та­ем, что ско­рость зву­ка v не зави­сит от вре­ме­ни). Из этой зави­си­мо­сти мож­но оце­нить воз­раст сво­ей все­лен­ной! Одна­ко наше тре­бо­ва­ние о том, что­бы все началь­ные воз­му­ще­ния плот­но­сти были ста­тич­ны­ми в при­ду­ман­ной нами ста­тич­ной все­лен­ной, ниот­ку­да не сле­ду­ет.

Как обсто­ит дело в рас­ши­ря­ю­щей­ся все­лен­ной? Основ­ные отли­чия тако­вы:

1. Каж­дая вол­на будет участ­во­вать в рас­ши­ре­нии, и ее дли­на и часто­та будут менять­ся.

2. Усло­вие ста­тич­но­сти началь­ных воз­му­ще­ний выпол­нит­ся авто­ма­ти­че­ски! Дело в том, что вна­ча­ле все­лен­ная рас­ши­ря­ет­ся столь быст­ро, что началь­ные ско­ро­сти веще­ства быст­ро забы­ва­ют­ся, тогда как ампли­ту­ды волн оста­ют­ся преж­ни­ми. Это зна­чит, что все зву­ко­вые коле­ба­ния плот­но­сти в ран­ней все­лен­ной будут иметь вид сто­я­чих волн — при оди­на­ко­вой часто­те син­хрон­но во всем про­стран­стве дости­гать мак­си­му­ма и обра­щать­ся в ноль. Это утвер­жде­ние пря­мо сле­ду­ет из рабо­ты А.Д. Саха­ро­ва. Зави­си­мость ампли­ту­ды волн от вре­ме­ни полу­ча­ет­ся несколь­ко более слож­ной, чем коси­нус, — она выра­жа­ет­ся через функ­ции Бес­се­ля, кото­рые тоже осцил­ли­ру­ют в зави­си­мо­сти от длин вол­ны.

Вол­ны засты­ва­ют

Дав­ле­ние сре­ды во Все­лен­ной рано или позд­но в некое вре­мя T ста­но­вит­ся мно­го мень­ше плот­но­сти энер­гии, и ско­рость зву­ка срав­ни­тель­но быст­ро пада­ет на поряд­ки. Аку­сти­че­ские вол­ны ста­но­вят­ся застыв­ши­ми неод­но­род­но­стя­ми плот­но­сти, при­чем они засты­ва­ют прак­ти­че­ски одно­вре­мен­но — неза­ви­си­мо от дли­ны вол­ны. И эту кар­ти­ну застыв­ших волн мож­но попы­тать­ся уви­деть, если как-то суметь снять кар­ту неод­но­род­но­стей и раз­ло­жить ее в ряд Фурье.

Что мы долж­ны уви­деть? «Засты­ва­ние» всё-таки про­ис­хо­дит не мгно­вен­но, поэто­му корот­кие вол­ны успе­ва­ют усред­нить­ся, пока ско­рость зву­ка пада­ет. Зна­чит, корот­ко­вол­но­вая часть спек­тра будет невы­ра­зи­тель­ной, лишен­ной каких-то осо­бен­но­стей. А более длин­ные вол­ны, кото­рые успе­ли совер­шить ров­но одно-два-три-четы­ре коле­ба­ния с рож­де­ния Все­лен­ной, про­явят­ся в спек­тре в виде чет­ких мак­си­му­мов, раз­де­лен­ных про­ва­ла­ми. Еще более длин­ные вол­ны, кото­рые не успе­ли совер­шить ни одно­го коле­ба­ния, опять дадут плав­ную часть спек­тра, лишен­ную осо­бен­но­стей. Имен­но такая кар­ти­на полу­чи­ла назва­ние «Саха­ров­ские осцил­ля­ции». Прав­да, имен­ной тер­мин исполь­зу­ет­ся дале­ко не все­ми, в насто­я­щее вре­мя чаще исполь­зу­ет­ся его сино­ним «аку­сти­че­ские осцил­ля­ции».

Когда про­ис­хо­дит засты­ва­ние, и на каких мас­шта­бах оно долж­но про­явить­ся? В вари­ан­те холод­ной Все­лен­ной, как уже было ска­за­но, ско­рость зву­ка пада­ет через доли секун­ды. При этом самый длин­но­вол­но­вый мак­си­мум в спек­тре неод­но­род­но­стей охва­ты­ва­ет мас­су веще­ства поряд­ка мас­сы неболь­ших звезд.

В том же 1965 году, когда была опуб­ли­ко­ва­на дан­ная рабо­та А.Д. Саха­ро­ва, было откры­то релик­то­вое излу­че­ние, одно­знач­но сви­де­тель­ству­ю­щее о том, что Все­лен­ная роди­лась горя­чей. В свя­зи с этим потре­бо­вал­ся новый ана­лиз аку­сти­че­ских осцил­ля­ций. Это сде­ла­ли неза­ви­си­мо Я.Б.Зельдович с Р.А.Сюняевым (R. Sunyaev, Ya. Zeldovich. Astrophysics and Space Science vol. 7 (1970), p.3) и Peebles с J.T.Yu (PJ.E. Peebles, J.T. Yu. Astrophysical Journal vol. 7 (1970), p.815). Как уже ска­за­но выше, в горя­чей Все­лен­ной ско­рость зву­ка пада­ет при­мер­но через 300 тыс. лет. При этом в самый длин­но­вол­но­вый пик, соот­вет­ству­ю­щий одно­му коле­ба­нию, ока­зы­ва­ют­ся вовле­че­ны мас­сы поряд­ка 1018 масс Солн­ца: десят­ки мил­ли­о­нов галак­тик.

Горя­чая модель дает еще один сюр­приз — фото­гра­фию Все­лен­ной воз­рас­та 370 тыс. лет — как раз той эпо­хи, когда урав­не­ние состо­я­ния Все­лен­ной меня­лось и ско­рость зву­ка пада­ла. Дело в том, что в это вре­мя тем­пе­ра­ту­ра Все­лен­ной упа­ла настоль­ко, что элек­тро­ны с про­то­на­ми реком­би­ни­ро­ва­ли в ато­мы водо­ро­да и Все­лен­ная ста­ла про­зрач­на для све­та. Этот свет из-за рас­ши­ре­ния Все­лен­ной пре­вра­тил­ся в радио­вол­ны — зна­ме­ни­тое релик­то­вое мик­ро­вол­но­вое излу­че­ние.

Улыб­ка Миро­зда­ния

Если бы А.Д. Саха­ров уви­дел спектр мощ­но­сти угло­вых гар­мо­ник релик­то­во­го излу­че­ния! (Он изоб­ра­жен на рис. 2.) Я. Б. Зель­до­ви­чу тоже не дове­лось его уви­деть, зато мно­гие, при­ни­мав­шие непо­сред­ствен­ное уча­стие в раз­ви­тии тео­рии, дожи­ли.

Рис. 2. Резуль­тат раз­ло­же­ния кар­ты релик­то­во­го излу­че­ния, при­ве­ден­ной на рис. 1, по угло­вым гар­мо­ни­кам (муль­ти­по­лям). Сплош­ная кри­вая — резуль­тат тео­ре­ти­че­ской под­гон­ки, кото­рая чув­стви­тель­на к таким пара­мет­рам Все­лен­ной, как кри­виз­на про­стран­ства, сред­няя плот­ность веще­ства и тем­ной мате­рии.

Мощь нау­ки ярче все­го про­яв­ля­ет­ся не тогда, когда уда­ет­ся объ­яс­нить ранее непо­нят­ный эффект, а когда кто-то пред­ска­зы­ва­ет нечто неор­ди­нар­ное и потом это нахо­дят воочию. Круп­ных при­ме­ров подоб­но­го рода в исто­рии не так уж мно­го. Хре­сто­ма­тий­ный при­мер — откры­тие Неп­ту­на «на кон­чи­ке пера».

Саха­ров­ские осцил­ля­ции в неко­то­ром плане куда «кру­че», преж­де все­го сво­ей запре­дель­но­стью — непред­ста­ви­мо­стью мас­шта­бов, как непред­ста­ви­мо малень­ких, так и непред­ста­ви­мо боль­ших. Сидит чело­век и пишет фор­му­лы с неве­ро­ят­ны­ми циф­ра­ми: воз­раст Все­лен­ной — 10-43 секун­ды, плот­ность —1098 грамм на см3, что-то из них пыта­ет­ся выве­сти. Отку­да убеж­де­ние, что на таких мас­шта­бах вооб­ще рабо­та­ет наша логи­ка, что к ним при­ме­ни­мы зако­ны, выве­ден­ные чело­ве­ком? С точ­ки зре­ния посто­рон­не­го, уче­ный в дан­ном слу­чае зани­ма­ет­ся пол­ны­ми абстрак­ци­я­ми, фан­та­зи­я­ми на день­ги нало­го­пла­тель­щи­ков. В резуль­та­те зна­чи­тель­ных уси­лий чело­век выво­дит на бума­ге, что рас­пре­де­ле­ние неких флук­ту­а­ций плот­но­сти во Все­лен­ной долж­но опи­сы­вать­ся некой осцил­ли­ру­ю­щей функ­ци­ей Бес­се­ля.

Через деся­ти­ле­тия люди запус­ка­ют кос­ми­че­ский аппа­рат с пре­ци­зи­он­ным при­ем­ни­ком мик­ро­вол­но­во­го радио­из­лу­че­ния, испу­щен­но­го мил­ли­ар­ды лет назад. И видят из кар­ты это­го излу­че­ния ту самую осцил­ли­ру­ю­щую функ­цию Бес­се­ля!

Наблю­де­ние само­го фак­та аку­сти­че­ских осцил­ля­ций — толь­ко нача­ло. Ока­зы­ва­ет­ся, они луч­ше, чем что-нибудь дру­гое, помо­га­ют изме­рить целый ряд пара­мет­ров нашей Все­лен­ной, вклю­чая ее воз­раст и гео­мет­рию. Это при­мер­но то же самое, как если бы на кар­те ран­ней Все­лен­ной уви­де­ли бы мас­штаб­ную линей­ку с деле­ни­я­ми в мега­пар­се­ках, да и не толь­ко линей­ку — часы и целую «метео­стан­цию» с раз­ли­чи­мы­ми пока­за­ни­я­ми на цифер­бла­тах.

Напри­мер, высо­та глав­но­го пика над под­лож­кой дает оцен­ку плот­но­сти веще­ства во Все­лен­ной, а поло­же­ния пиков «чув­ству­ют» гео­мет­рию про­стран­ства. Послед­нее свой­ство нетруд­но понять: дли­на аку­сти­че­ской вол­ны, попав­шей в мак­си­мум через 370 тыс. лет после Боль­шо­го взры­ва, фик­си­ро­ва­на, а угол, под кото­рым она сего­дня вид­на, зави­сит от того, евкли­до­во наше трех­мер­ное про­стран­ство или нет. Имен­но из изме­ре­ний поло­же­ний пиков сле­ду­ет, что про­стран­ство на самом деле евкли­до­во: сум­ма углов тре­уголь­ни­ка состав­ля­ет в нем 180°, даже если речь идет о тре­уголь­ни­ках со сто­ро­на­ми в десят­ки мил­ли­ар­дов све­то­вых лет.

Саха­ров­ские осцил­ля­ции — не един­ствен­ная зацеп­ка для кос­мо­ло­гов — есть еще дале­кие сверх­но­вые, скоп­ле­ния галак­тик, гра­ви­та­ци­он­ное лин­зи­ро­ва­ние. Но это, без­услов­но, самая надеж­ная опо­ра.

Мы рас­ска­за­ли все­го о двух науч­ных рабо­тах Андрея Дмит­ри­е­ви­ча Саха­ро­ва. Это лишь неболь­шая часть из того, что он сде­лал за свою жизнь. Одна­ко даже по двум рабо­там мож­но судить о мощи это­го чело­ве­ка: в них не про­сто реше­ны какие-то про­бле­мы. В этих рабо­тах постав­ле­ны и реше­ны про­бле­мы, кото­рые еще никто не видел в то вре­мя.

Вале­рий Руба­ков,
Борис Штерн

Если вы нашли ошиб­ку, пожа­луй­ста, выде­ли­те фраг­мент тек­ста и нажми­те Ctrl+Enter.

Связанные статьи

Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (Пока оценок нет)
Загрузка...
 
 

Метки: , , , , ,

 

Один комментарий

  • С инте­ре­сом читаю пуб­ли­ка­ции о физи­ке миро­зда­ния дуэ­та Руба­ков-Штерн.
    Не всё так уж ясно, но если взгля­нуть ретро­спек­тив­но, то оста­ёт­ся не закры­тая тема: спор Шапош­ни­ко­ва с Руба­ко­вым ?
    В Тро­иц­ком вари­ан­те – Выпуск № 3N (809) 13 мая 2008 г.,
    «От Боль­шо­го адрон­но­го кол­лай­де­ра…»

    «ВР: …Несколь­ко лет назад я поспо­рил с моим кол­ле­гой Миха­и­лом Шапош­ни­ко­вым. Наш спор был таким: отро­ют ли на LHC что-нибудь новень­кое или нет? Он счи­тал, что нет. А я ска­зал, что да. На что мы поспо­ри­ли, я уже забыл, у наше­го кол­ле­ги Лео­ни­да Без­ру­ко­ва лежит бумаж­ка, на что мы поспо­ри­ли, он был сви­де­те­лем наше­го спо­ра.»

    ТАК ВОТ!
    Рабо­та БАК по поис­ку Хиггса, как и всех осталь­ных под­хо­дит к кон­цу,
    Хиггс не нашли!

    Сло­во Лео­ни­ду Без­ру­ко­ву, где бумаж­ка ?

    А если серьёз­но, ВАЛЕРИЙ АНАТОЛЬЕВИЧ, Вы бы тис­ну­ли интер­вью на эту тему. Там ещё один экс­пе­ри­мент, AEGIS, не в поль­зу Хиггса, но если летом Кол­лай­дер пере­ве­дут на ядра, где брать анти­про­то­ны ?

    ===
    Ваши мыс­ли
    Ска­жи­те нам, что вы дума­е­те…

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Недопустимы спам, оскорбления. Желательно подписываться реальным именем. Аватары - через gravatar.com