Нобель 2019 по физике — Пиблс после Гамова

Изменено: 02.12.2019 Posted on

две статьи 1966 года, в которых Пиблс впервые рассчитал количество первичного гелия-4, дейтерия и гелия-3 (по отношению к водороду), которые возникли в ходе первичного нуклеосинтеза в ходе горячего Большого взрыва в далеком прошлом нашей Вселенной. Напомню, что само существование стадии горячего Большого взрыва было доказано только за год до этого, когда в 1965 году Пензиас и Вильсон открыли тепловое реликтовое электромагнитное излучение (фотоны) с температурой (округленно) 2,7 градусов Кельвина. 

он написал, что от этого периода во Вселенной должны были остаться тепловые нейтрино с температурой в (4/11) в степени (1/3) от температуры фотонов, то есть примерно 71,4% от 2,7 градусов Кельвина. Речь здесь идет именно о числе: про то, что вообще должен быть тепловой фон реликтовых нейтрино, говорили и раньше (не берусь сказать, кто первый), но вот конкретную величину ожидаемой температуры Пиблс написал первым. А для физики — в отличие, скажем, от философии, — числа исключительно важны!

Каков итог всего этого для современной картины Вселенной? Первое: относительная концентрация гелия-4 и других легких элементов зависит от плотности барионов (протонов плюс нейтронов). Поэтому, когда измерили первичные концентрации этих элементов в старых звездах, бедных металлами, и сравнили с уточненными после Пиблса расчетами первичного нуклеосинтеза, стало ясно, что  барионов мало — менее 5% от критической плотности материи во Вселенной (в свое время Пиблс говорил примерно о 10%). 

Второе: при определении полной плотности излучения и ультрарелятивистских частиц во Вселенной после конца первичного нуклеосинтеза и до недавнего времени, когда нейтрино стали нерелятивистскими (так как у них — по крайней мере, у двух видов из трех известных — есть масса покоя, хотя и очень маленькая по сравнению с массой покоя электрона), плотность энергии реликтовых фотонов нужно умножать на единицу плюс 0,23, умноженное на число сортов нейтрино.

Для любителей арифметики: чтобы получить 0,23 (округленно), нужно указанное выше отношение температур нейтрино и фотонов (0,714) возвести в четвертую степень (потому что плотность излучения пропорциональна его температуре в четвертой степени), и еще домножить на 7/8 из-за разности квантовой статистики: фотоны — бозоны, а нейтрино — фермионы. Хороший пример, как за простой арифметикой стоит глубокая физика.

Так вот, хотя, разумеется, реликтовые нейтрино еще не открыты, но из других наблюдений следует, что плотность излучения в ранней Вселенной действительно нужно умножать примерно на 1,7, что находится в отличном согласии с известным числом сортов нейтрино: три (электронное, мюонное и тау-нейтрино).

Третья важная статья Пиблса — статья 1968 года о том, как происходила рекомбинация ионизированного водорода в прошлом при величине красного смещения z=1100 (округленная величина из последних наблюдательных данных). Пиблс показал, что при этом нельзя пользоваться стандартными формулами равновесной термодинамики (формулой Саха в данном случае, которая приводила бы к величине z=1500), а нужно учитывать термодинамически неравновесные процессы, главным образом медленный двухфотонный распад возбужденного уровня 2s атома водорода. Однако здесь Пиблс был не одинок: в том же 1968 году Курт, Зельдович и Сюняев опубликовали работу с примерно такими же результатами.

Наконец, четвертая работа — статья 1970 года вместе с Ю (J. T. Yu), в которой он рассчитал угловую анизотропию температуры реликтового электромагнитного излучения, созданную (в основном в момент рекомбинации водорода в прошлом) неоднородными флуктуациями метрики пространства-времени, из которых потом образовались галактики. В частности, он обнаружил осцилляции — так называемые акустические осцилляции — в мультипольном спектре анизотропии температуры реликтового излучения, которые сейчас уверенно наблюдаются. И здесь Пиблс был не одинок: в том же 1970 году Зельдович и Сюняев опубликовали статью с аналогичными результатами.

После этих работ Пиблс сделал и много других важных вещей, но не связанных непосредственно с каким-либо количественным предсказанием, которое было бы потом подтверждено наблюдениями. Например, он пионер использования метода корреляционных функций для описания неоднородного распределения галактик в пространстве — сейчас все используют этот метод. А самая цитируемая его работа (намного более цитируемая, чем его вышеперечисленные ранние статьи), если не считать обзоров, — это статья 1988 года вместе с Ратра (B. Ratra), в которой была предложена оригинальная модель для уже темной энергии в современной Вселенной. В ней использовалось скалярное поле, качественно подобное полю бозона Хиггса, но с совершенно необычным и не следующим ни из какой микроскопической модели потенциалом взаимодействия: он не растет с ростом величины поля, как у бозона Хиггса, а, наоборот, быстро падает. Такое скалярное поле было потом названо квинтэссенцией. На эту модель бросились многие (отсюда и большое цитирование), но, увы, современные наблюдательные данные практически закрыли эту модель. Так что я уверен, что эта работа не принималась во внимание нобелевским комитетом.

Однако, если спросить в целом, кто за последние 40–50 лет являлся лидером американской теоретической космологии, то, несомненно, все назовут Пиблса. Поэтому естественно думать, что когда американские ученые, которые очень активно номинируют работающих у них ученых на Нобелевскую премию (заметим, что почти независимо от их исходного гражданства), сошлись на том, что эту премию нужно дать и космологу-теоретику тоже, то их выбор должен был естественно пасть на такого патриарха, как Пиблс. 

Джеймс ПиблсФото: Juan Diego Soler/Wikimedia Commons/CC BY 2.0

Тайна пропавшей материи

Автор-дилетант: Все, что рассказано выше, — это физика, то есть построение картины мира из таких маленьких кирпичиков такой странной формы, что если вы не участвуете в процессе постройки, вам и в голову не придет, как оно все вместе сложится во что-то дельное. Попробуем кое-как выделить отсюда то, что можно уложить в голове.

«Рекомбинация ионизированного водорода», о которой упоминает Старобинский, — это тот момент, когда Вселенная достаточно остыла, чтобы в ней образовались атомы и она стала прозрачной для излучения. От этого момента до нас долетело «реликтовое излучение», или космический микроволновой фон — очень слабое свечение темного неба. Это важный источник, из которого физики делают выводы об истории Вселенной. Другой важный источник — то, как все выглядит сейчас, в том числе, например, соотношение гелия и водорода в древних звездах. 

Чтобы все это было таким, как мы видим, плотность материи, то есть атомов и космического излучения, должна быть совершенно определенной, а именно 5–10% от критической. С другой стороны, судя по всему, пространство у нас вполне плоское, а значит, плотность материи равна или очень близка к критической. Куда делись минимум 90%, а то и 95% материи? 

Варианты есть такие.

Во-первых, может быть, есть какая-то материя, которую мы вообще не можем видеть, потому что она ни с чем не взаимодействует. Один из кандидатов — как раз те самые нейтрино, о которых упоминает Алексей Александрович. Они маленькие (хотя и имеют какую-то массу), летают быстро (хотя и не со скоростью света) и могут вносить вклад в массу Вселенной, при этом почти никак больше себя не проявляя. Можно предположить и какие-то еще, прежде невиданные варианты. Все это сейчас — собственно, с середины прошлого века — известно как «темная материя».

Во-вторых, может быть, это и никакая не материя. В уравнениях Эйнштейна была величина, которую сам Эйнштейн туда вписал, а потом — возможно, напрасно — вычеркнул. Она называется «космологическая постоянная» и описывает свойство пустого пространства как бы распихивать само себя изнутри. По размерности это энергия на единицу объема, и, опять же по Эйнштейну, как всякая энергия, она соответствует какой-то массе. Может, она и составляет те самые недостающие 90–95%? Это то, что сегодня известно публике как «темная энергия».

О том, сколько в мире может быть темной материи и сколько темной энергии, опять же можно судить по тому, что мы видим — например, структуре и размеру галактик или особенностям того самого свечения темного неба, то есть реликтового излучения. Под этот известный ответ и подгоняли свои расчеты космологи-теоретики в 1980-х годах.

Алексей Старобинский:

Как сложилась современная стандартная космологическая модель с темной материей и темной энергией (я сейчас не говорю об инфляции в очень ранней Вселенной)? Вкратце: она возникла в результате объединенной работы многих теоретиков и наблюдателей, и среди них нельзя выделить одно лицо, которое сразу дало бы окончательный ответ. 

После своих ранних работ Пиблс думал (и довольно долго, до 1982 года), что недостающие 90% — это отрицательная пространственная кривизна Вселенной (так называемая открытая модель Фридмана). Но в семидесятые годы наблюдения Веры Рубин по скоростям вращения звезд в галактике и Яна Эйнасто с коллегами по динамике скоплений галактик и по крупномасштабной структуре распределения галактик во Вселенной быстро показали, что нерелятивистской материи существенно больше, чем 5%, — в действительности около 30%. 

В период 1980–1983 гг. еще допускалось, что масса нейтрино настолько велика (около 30 эв), что реликтовые нейтрино могут обеспечить такое количество материи, но и тут быстро стало ясно, что нет — в такой модели неоднородности слишком малы для образования галактик. Поэтому с 1984 года общепринятой стала модель холодной небарионной материи, на которую приходится 30% – 5% = 25% от критической плотности. Я сам с того года только ей и пользовался. 

Еще некоторое время пожила открытая модель Фридмана с 30% нерелятивистской материи и 70% пространственной кривизны, хотя уже возникший инфляционный сценарий давал аргумент против такой модели. Дополнительную путаницу невольно внесли астрономы, которые не могли тогда согласиться друг с другом, чему равна постоянная Хаббла (в терминах км/сек/Мпс): 50 или 100. Если 50, то можно было бы допустить 100% материи (а если 35, то даже и без небарионной темной материи можно было бы обойтись). А с другой стороны (я это сам писал в те годы), если она больше 60, то пространственная кривизна не проходит, и единственный остающийся вариант — 70% в виде космологической постоянной. 

Окончательно (и даже без ссылки на инфляционную теорию) этот вопрос был решен в 1998 году, когда одновременно и независимо выяснили, что постоянная Хаббла примерно 70 (небольшое расхождение между 67 и 73 при разных способах ее измерения все-таки остается для будущего). Выяснилось также, что Вселенная сейчас расширяется ускоренно (это несовместимо с пространственной кривизной) и что первый акустический пик в анизотропии температуры реликтового излучения лежит на значении мультипольности (обратном характерном угле) 220, как и должно быть в пространственно-плоской Вселенной, а не 600, как было бы при 70% отрицательной пространственной кривизны. 

Автор-дилетант: Надо отметить, что Джеймс Пиблс был среди тех, кто предложил в 1982 году упомянутую выше «холодную небарионную материю» (это темная материя, которая не имеет ничего общего с нейтрино). Он же в 1984-м обсуждалтриумфальный камбэк «космологической постоянной», то есть темной энергии. Не вникая в конкретный концептуальный вклад того или иного ученого, приходится признать, что именно Пиблс многое сделал для того, чтобы два главных таинственных слова, зачаровывающих сегодня любознательных дилетантов, — темная материя и темная энергия — вошли в обиход.

Кто может за это поручиться?

Как справедливо отмечал академик Старобинский в своей предыдущей статье для «Сноба», Нобелевские премии не дают «самому умному ученому» — их дают за подтвержденные открытия. Темную материю физики пока не нашли, и почему темная энергия такая, а не другая, они тоже не знают. За что же тогда премия? 

Хороший теоретик может предложить десяток изящных теорий, чтобы объяснить любую наблюдаемую совокупность фактов. Вопрос в том, какая из теорий правильная. А чтобы это понять, надо увидеть что-то такое, что правильная теория предсказывает, а другие нет.

С идеями Джеймса Пиблса такое случилось дважды. Сначала, в 1998 году, Сол Перлмуттер, Брайан Шмидт и Адам Рисс обнаружили, что вот прямо сейчас наша Вселенная расширяется с ускорением. Ровно это и должно происходить, если темная энергия распирает вакуум изнутри. Перлмуттер, Шмидт и Рисс получили за свое открытие Нобелевскую премию в 2011-м, а вот полномочному представителю теоретического сообщества пришлось ждать награды чуть дольше. С другой стороны, Питер Хиггс ждал еще дольше. 

Второй триумф «стандартной космологической модели» наступил уже в нынешнем столетии. Спутник Planck, запущенный в 2009 году, проанализировал картину темного неба — то самое реликтовое излучение, или микроволновой фон. Это излучение не везде одинаковое: его «цвет» слегка колеблется на разных участках неба. Причины этого в акустических волнах, распространившихся в пространстве в то время, когда элементарные частицы соединялись в атомы. Расчет наблюдаемых последствий этих волн — еще одна заслуга Пиблса, о которой упоминал Алексей Александрович. 

Ну так вот, спутник Planck разглядел в небесной черноте неоднородности, или цветные пятна, которые распределяются по размеру примерно так.

График: James Peebles

Эти три пика, с их характерными размерами и местоположением, как оказалось, достаточно точно описывают те самые свойства Вселенной, которые входят в первое уравнение Фридмана и «подгонкой» которых так успешно занимался Джеймс Пиблс.

Положение главного пика позволяет заключить, что наше пространство действительно совершенно плоское — будь оно кривым, характерный размер неоднородностей был бы больше или меньше. Значит, плотность материи в точности равна критической. Она, видимо, и не может быть другой, но это уже следствие совсем других теорий, предложенных другими физиками. 

Разница в высоте между первым и вторым пиком описывает долю барионной материи, и ее, как показывает расчет, именно 5% от всего, что есть в мире. Высота третьего пика, как показывают вычисления, соответствует темной материи (то есть всему на свете, что не взаимодействует с излучением). Ее, как следует из картинки, должно быть 26%. Поскольку, как сказано выше, пространство точно плоское, недостающие 69% должна давать темная энергия — та самая, что расталкивает пространство, вызывая ускоренное расширение Вселенной. Ее и должно быть столько, если верить тому, что намеряли нобелевские лауреаты Перлмуттер, Рисс и Шмидт в 1998-м.

Вот когда реальные данные настолько хорошо сходятся с тем, что за тридцать лет до этого предсказали теоретики из своих собственных голов, тогда-то одному из них и дают Нобелевскую премию. Поэтому в 2019 году ее получил Джеймс Пиблс.

Фото: Nasa/Unsplash

Резюме

От физиков часто можно слышать, что их наука не способна познать «все на свете», она даже не может объяснить все особенности нашей конкретной Вселенной, а объясняет лишь некоторые ее общие черты. Уважаемый Сергей Попов сравнил это в своей книге с рассматриванием отдельной снежинки: из физики понятно, что она должна быть шестиугольной, но конкретный узор непредсказуем. Физика якобы не отвечает на вопросы, чем бытие отличается от небытия, почему бытие именно таково, есть ли другие варианты и в чем смысл всего этого.

Позволим себе с нашей дилетантской колокольни поставить это мнение под вопрос. Сто-двести лет назад никто и вообразить не мог, что из не слишком сложных физических формул можно с такой потрясающей точностью вывести историю Вселенной как целого. Подумать страшно: какие-то замеры и расчеты, а в итоге вывод — мы живем в плоском эвклидовом пространстве, которое будет существовать вечно. А потом из черного неба приходит (в виде микроволнового фона) подтверждение, что это именно так. Как отметил в одной из своих книжек замечательный биолог-популяризатор Александр Марков, естественным наукам свойственно один за другим отнимать у философии все самые интересные вопросы.

Есть определенная вероятность, что этот тренд сохранится и в дальнейшем: многие вопросы, ответы на которые мы якобы знать не можем или в лучшем случае познаем только молитвой и медитацией, на самом деле вполне разрешимы, если подумать над ними подольше. Лет 60–70, как Джеймс Пиблс. Или еще дольше, у кого как пойдет. Пожелаем этого человечеству, оно смышленое и заслужило такого результата. 

Автор — научный редактор Forbes. Выражаю огромную признательность Алексею Александровичу Старобинскому за развернутый письменный ответ на вопросы.