Бумеранговый путь вокруг Антарктиды .

Цель полета на воздушном шаре была проста. Чтобы получить вид на
микроволнового фонового излучения, отражая температуре 3 градуса
выше абсолютного нуля (Кельвина шкала), которая не загрязнена намного
жарче материал на планете (даже в Антарктиде температура более двух
сотен градусов горячее, чем температура космического микроволнового
фонового излучения), мы хотим пройти как можно дальше, над землей,
и даже выше атмосферы Земли. В идеале мы используем
спутники для этой цели, но высотные воздушные шары могут сделать большую часть работы
за гораздо меньшие деньги.

Во всяком случае, через две недели " БУМЕРАНГ " вернул изображение
небольшой части микроволнового неба, показывающее горячие и холодные пятна в
диаграмме излучения, исходящей от последней рассеивающей поверхности. Ниже показано
одно изображение области, которую наблюдал эксперимент “ БУМЕРАНГ ” (с
“ горячими точками ” и " холодными точками ", затененными темным и светлым соответственно),
наложенное на исходную фотографию эксперимента:

Насколько я понимаю, этот образ служит двум целям. Во - первых, он
отображает реальный физический масштаб горячих и холодных точек, видимых на небе
БУМЕРАНГОМ, с изображениями переднего плана для сравнения. Но это также
иллюстрирует другой важный аспект того, что можно назвать только нашей космической
близорукостью. Когда мы смотрим вверх в солнечный день, мы видим голубое небо, как показано на
предыдущем изображении воздушного шара. Но это потому, что мы эволюционировали, чтобы
видеть видимый свет. Мы сделали это, без сомнения, как потому, что свет от
поверхности нашего Солнца достигает максимума в видимой области, так и потому, что многие другие
волны света поглощаются нашей атмосферой, поэтому они не могут достичь
нас на поверхности Земли. (Для нас это большая удача, так как большая часть этой
радиации может быть вредной.) В любом случае, если бы мы эволюционировали, чтобы “ видеть ”
микроволновое излучение, изображение неба, которое мы видели бы днем или ночью,
пока мы не смотрели прямо на Солнце, перенесло бы нас прямо назад

к изображению последней рассеивающей поверхности, находящейся на расстоянии более 13 миллиардов световых лет
. Это “ изображение ”, возвращаемое детектором БУМЕРАНГА.

Первый полет БУМЕРАНГА, который произвел этот образ, оказался
на удивление удачным. Антарктида - враждебная, непредсказуемая среда.
В более позднем полете, в 2003 году, весь эксперимент был почти потерян из
- за неисправности воздушного шара и последующего шторма. Решение в последнюю минуту
освободиться от воздушного шара, прежде чем он будет взорван в каком - то недоступном месте
, спасло день, и поисково - спасательная миссия обнаружила полезную нагрузку на
антарктической равнине и восстановила герметичный сосуд, содержащий
научные данные.

Прежде чем интерпретировать изображение БУМЕРАНГА, я хочу
еще раз подчеркнуть, что фактический физический размер горячих и холодных пятен
, записанных на изображении БУМЕРАНГА, фиксируется простой физикой
, связанной с последней поверхностью рассеяния, в то время как измеренные размеры
горячих и холодных пятен на изображении вытекают из геометрии
Вселенной. Простая двумерная аналогия может помочь в дальнейшем объяснении
результата: в двух измерениях замкнутая геометрия напоминает поверхность
сферы, в то время как открытая геометрия напоминает поверхность седла. Если мы
нарисуем треугольник на этих поверхностях, мы наблюдаем эффект, который я описал, как
прямые линии сходятся на сфере и расходятся на седле, и, конечно,
остаются прямыми на плоской плоскости:

Итак, вопрос на миллион долларов теперь заключается в том, насколько велики горячие и холодные
точки на изображении БУМЕРАНГА? Чтобы ответить на этот вопрос, коллаборация BOOMERANG
подготовила несколько смоделированных изображений на своем компьютере горячих
и холодных точек, которые можно было бы увидеть в закрытых, плоских и открытых вселенных,
и сравнила их с (еще одним ложным цветом) изображением реального микроволнового
неба.

Если вы посмотрите на изображение в левом нижнем углу из моделируемой замкнутой
вселенной, вы увидите, что средние пятна больше, чем в реальной
вселенной. Справа средний размер пятна меньше. Но, как
и кровать Медвежонка в Златовласке, изображение в середине, соответствующее
моделируемой плоской вселенной, “ в самый раз ”. Математически красивая
вселенная, на которую надеялись теоретики, по - видимому, была подтверждена этим наблюдением,
хотя оно, по - видимому, сильно противоречит оценке, сделанной путем
взвешивания скоплений галактик.

На самом деле, согласие между предсказаниями для плоской Вселенной и
изображением, полученным БУМЕРАНГОМ, почти смущает. Исследуя
пятна и ища самые крупные из них, которые успели
значительно свернуться внутрь в момент отражения от последней рассеивающей поверхности, команда
БУМЕРАНГА составила следующий график:

Данные - это точки. Сплошная линия дает предсказание для плоской
Вселенной, с самым большим ударом, происходящим близко к 1 градусу!

Поскольку бумеранг эксперимента опубликованы его результаты, гораздо более
чувствительный зонд спутникового микроволнового фонового излучения был
запущен НАСА, микроволновая печь Уилкинсона зонд анизотропии (WMAP была).
Назван в честь покойного Принстонский физик Дэвид Уилкинсон, который был одним из
оригинальных Принстон физики, который должен был обнаружить космическое микроволновое фоновое излучение
, если бы они не были зачерпнул из Лаборатории Белл ученых, с WMAP был
запущен в июне 2001 года. Он был послан на расстояние в один миллион миль
от Земли, где, на дальней стороне Земли от Солнца, он мог
посмотрите на микроволновое небо без загрязнения солнечным светом.
В течение семи лет он изображал все микроволновое небо (а не только часть
неба, как это делал БУМЕРАНГ, поскольку БУМЕРАНГУ приходилось бороться
с присутствием Земли под ним) с беспрецедентной точностью.

Здесь все небо проецируется на плоскость, точно так же, как поверхность земного шара
может быть проецирована на плоскую карту. Плоскость нашей галактики будет лежать вдоль
экватора, а 90 градусов выше плоскости нашей галактики - это Северный полюс на
этой карте, а 90 градусов ниже плоскости нашей галактики - Южный полюс.

С помощью такого рода изысканных данных можно гораздо более точно оценить
геометрию Вселенной. График WMAP, аналогичный
показанному для изображения БУМЕРАНГА, подтверждает с точностью до 1
процента, что мы живем в плоской вселенной! Ожидания теоретиков оказались
верными. Еще раз, мы не можем игнорировать очевидное
несоответствие этого результата с результатом, который я описал в предыдущей главе.
Взвешивание Вселенной путем измерения массы галактик и скоплений
дает значение в 3 раза меньшее, чем сумма, необходимая для получения плоской
вселенной. Что - то должно дать.

В то время как теоретики, возможно, похлопывали себя по спине за
предположение, что Вселенная плоская, почти никто не был готов к
сюрпризу, который приготовила природа, чтобы разрешить противоречивые оценки
геометрии Вселенной, исходящие из измерения массы и
прямого измерения кривизны. Недостающая энергия, необходимая для создания плоской Вселенной
, оказалась спрятанной прямо у нас под носом, буквально.

ГЛАВА 4

M

УЧ

A

ЦВ

A

РАЗ

N

ОТИНГ

Меньше - значит больше.

— Л

UDWIG

M

IES VAN DER

R

OHE,

ПОСЛЕ

R

OBERT

B

ГРЕБЛЯ

Один шаг вперед, два шага назад, или так казалось в наших поисках
понимания нашей вселенной и точного придания ей лица. Хотя
замечания были, наконец, окончательно определить кривизну нашей
Вселенной — и в процессе проверен давние теоретические подозрения, —
неожиданно, хотя было известно, что в десять раз больше материи существует во
Вселенной, может быть отнесено к категории протоны и нейтроны, даже то, что
огромное количество темной материи в составе 30 процентов то, что требовалось
чтобы создать плоскую вселенную, было далеко не достаточно, чтобы объяснить всю
энергию во Вселенной. Прямое измерение геометрии
Вселенной и последующее открытие, что Вселенная действительно плоская, означало
, что 70 процентов энергии Вселенной все еще отсутствовало ни в
галактиках, ни вокруг них, ни даже в скоплениях галактик!

Все было не так шокирующе, как я представлял. Еще
до этих измерений кривизны Вселенной и
определения общей массы скопления внутри Нее (как описано в

Глава

2

), были признаки того, что к тому времени общепринятая теоретическая картина нашей
Вселенной - с достаточным количеством темной материи (в три раза больше, чем мы теперь знаем
), чтобы быть пространственно плоской — просто не соответствовала
наблюдениям. Действительно, еще в 1995 году я написал еретическую статью с
моим коллегой Майклом Тернером из Чикагского университета,

предполагая, что это обычная фотография не может быть правильным, а на самом деле
только возможность того, что появились соответствует плоской Вселенной (нашей
теоретических предпочтений на тот момент) и замечаний группирования
галактик и их внутренняя динамика, что Вселенная была гораздо более
странная и, что напомнили сумасшедший теоретическое представление Альберт Эйнштейн
в 1917 чтобы разрешить кажущееся противоречие между предсказания
его теории и статической вселенной, он думал, что мы жили и в котором он впоследствии
отказались.

Насколько я помню, наша мотивация в то время была больше направлена на то, чтобы показать, что что - то
не так с преобладающей мудростью, чем на то, чтобы предложить окончательное
решение проблемы. Предложение казалось слишком безумным, чтобы в него можно было поверить, поэтому
я не думаю, что кто - то был более удивлен, чем мы, когда
три года спустя выяснилось, что наше еретическое предложение
все - таки было связано именно с деньгами!

Вернемся к 1917 году. Вспомните, что Эйнштейн разработал общую теорию относительности
и испытал трепет радости, обнаружив, что он может объяснить
прецессию перигелия Меркурия, хотя ему пришлось столкнуться с тем фактом
, что его теория не может объяснить статическую вселенную, в которой, как он думал, он
живет.

Будь у него больше смелости в своих убеждениях, он мог бы предсказать
, что Вселенная не может быть статичной. Но он этого не сделал. Вместо этого он понял,
что может внести небольшое изменение в свою теорию, которое полностью
согласуется с математическими аргументами, которые привели его к разработке
общей теории относительности, и которое, похоже, может позволить
статическую вселенную.

Хотя детали сложны, общая структура уравнений Эйнштейна
в общей теории относительности относительно проста. Левая
часть уравнений описывает кривизну Вселенной, а вместе с ней и
силу гравитационных сил, действующих на материю и излучение. Они
определяются величиной в правой части уравнения, которая
отражает общую плотность всех видов энергии и материи во
Вселенной.

Эйнштейн понял, что добавление небольшого дополнительного постоянного члена в левую
часть уравнения будет представлять небольшую дополнительную постоянную силу отталкивания
во всем пространстве в дополнение к стандартному гравитационному притяжению
между удаленными объектами, которое уменьшается по мере увеличения расстояния между ними.
Если бы он был достаточно мал, эта дополнительная сила могла бы быть незаметна для человека

в масштабах или даже в масштабах нашей Солнечной системы, где закон
тяготения Ньютона, по наблюдениям, так прекрасно соблюдается. Но он рассудил, что, поскольку она
постоянна во всем пространстве, она может накапливаться в масштабах нашей
галактики и быть достаточно большой, чтобы противодействовать силам притяжения между очень
удаленными объектами. Таким образом, он рассуждал, что это может привести к статической вселенной в
самых больших масштабах.

Эйнштейн назвал этот дополнительный член космологическим термином, и поскольку он является
просто постоянным дополнением к уравнениям, теперь, однако,
принято называть этот термин космологической постоянной.

Как только он признал, что Вселенная действительно расширяется, Эйнштейн
отказался от этого термина и, как говорят, назвал решение добавить его в
свои уравнения своей самой большой ошибкой.

Но избавиться от него не так - то просто. Это все равно что пытаться засунуть зубную пасту
обратно в тюбик после того, как вы ее выдавили. Это происходит потому
, что сегодня мы имеем совершенно иную картину космологической постоянной, так
что, если бы Эйнштейн не добавил этот термин, кто - то другой сделал бы это в
последующие годы.

Перемещение члена Эйнштейна из левой части его уравнений в
правую - это маленький шаг для математика, но гигантский скачок для
физика. Хотя это тривиально с математической точки зрения, как только этот термин находится в
правой части, где находятся все термины, вносящие вклад в энергию
Вселенной, он представляет собой нечто совершенно иное с
физической точки зрения, а именно новый вклад в общую энергию. Но
какой материал мог бы способствовать такому термину?

Ответ таков: ничего.
Под " ничем " я имею в виду не " ничто ", а скорее " ничто " — в данном случае

ничто мы обычно называем пустым пространством. То есть, если я все области
пространства и избавиться от всего в ней — пыль, газ, люди, и даже
излучение при прохождении через, а именно абсолютно все в этой области
— если оставшееся пустое пространство что - то весит, то, что будет
соответствовать существования космологической константы, такие как Эйнштейн
изобрел.

Это делает космологическую постоянную Эйнштейна еще более безумной! Ведь
любой четвероклассник скажет вам, сколько энергии содержится в пустоте,
даже если он не знает, что такое энергия. Ответ должен быть пустым.