Как работает Вселенная: Введение в современную космологию

Однако энергия каждого фотона уменьшается в 1 + z раз, поэтому они должны выполнять какую-то работу. Для объяснения напомним, что w = p/ε согласно формуле (2.33). Таким образом, ненулевое значение w означает, что работа должна выполняться против давления – так же как газ, расширяясь в цилиндре, выполняет работу, толкая поршень. Очень грубо можно сказать, что эта энергия передается гравитационному полю. Но во Вселенной нет поршней, и фотоны не сталкиваются друг с другом. Вы могли бы спросить, откуда взялось давление? Рассмотрим следующую иллюстрацию.

Заметим, что каждая единица объема окружена другими подобными объемами, все они находятся в состоянии термодинамического равновесия. Это означает, что число фотонов, выходящих из любого заданного объема и входящих в него, в среднем одинаково в любой момент времени. Так что не важно, покидает один фотон этот объем, а другой фотон входит в него, или этот фотон отражается от границы обратно в тот же объем. Поэтому для удобства можно считать, что мы имеем дело с одной расширяющейся частью пространства, ограниченной со всех сторон жесткими стенками – зеркалами.

Всякий раз, когда объект упруго отражается от движущейся стенки, его кинетическая энергия изменяется – этот эффект обычно используют игроки в большой теннис или пинг-понг. Если стенка удаляется от объекта, то его энергия уменьшается, если она движется по направлению к объекту, то его энергия увеличивается. То же самое относится и к фотонам. Поскольку они не могут двигаться медленнее или быстрее, чем скорость света, они меняют свою энергию, изменяя свою длину волны. Таким образом, энергия отдельного фотона будет уменьшаться с каждым отражением от зеркальных стенок расширяющейся ячейки и его длина волны будет соответственно увеличиваться. Это и дает множитель 1 + z. Данный эффект тесно связан с эффектом Доплера.

Это важный результат, позволяющий нам использовать концепцию фотонов в космологии, не нарушая фундаментальные физические законы.

3.2.7. Нездоровые сенсации

Научные журналы и мировые СМИ не раз публиковали сенсационные утверждения, касающиеся распределения реликтового излучения по небу[45]. Например, в 2008 г. в журнале Physical Review D была опубликована статья Армандо Бернуи, в которой утверждалось, что карты реликтового излучения, полученные по данным WMAP, содержат асимметрию между северным и южным полушарием, причем эта асимметрия присутствует и в исходных данных.

Еще раньше, в 2005 г. в журнале Physical Review Letters, была опубликована статья Кейта Лэнда и Жоао Магуейжо под названием «Ось зла», в которой обсуждается совпадение осей квадрупольной и октупольной компонент[46] (2-й и 3-й сферических гармоник) реликтового излучения друг с другом и плоскостью эклиптики, т. е. с плоскостью орбиты Земли. Последнее обстоятельство было особенно настораживающее, так как намекало на систематические ошибки в методологии. Статья получила широкий резонанс, только в научной литературе она цитируется в сотнях статей. С квадрупольной компонентой связана еще одна проблема, которая обсуждалась космологами, на этот раз без привлечения средств массовой информации. Речь идет о том, что величина этой компоненты оказалась меньше значения, предсказанного современной стандартной космологической моделью, т. е. ΛCDM-моделью. Однако это малое значение может быть вызвано и исключительно случайными причинами. Оценка величины носит статистический характер, а мы, имея дело с уникальной Вселенной, можем получить величину квадрупольной анизотропии в несколько раз меньше средней оценки этой величины.

Наиболее же экстравагантное заключение было сделано американским математиком Джеффри Виксом, который, анализируя данные WMAP, пришел к выводу, что Вселенная конечна и имеет форму правильного додекаэдра[47] размером 60 млрд св. лет в поперечнике. Соответствующая статья, опубликованная в журнале Nature в 2003 г., была упомянута в нескольких сотнях статей. В 2010 г. был опубликован электронный препринт, в котором авторы Вахе Гурзадян и Роджер Пенроуз утверждали, что в карте распределения температуры можно увидеть концентрические круги, которые являются сигналами, связанными с вселенными, предшествующими нашей. Однако работа вызвала массу критических отзывов, также опубликованных в виде электронных препринтов, авторы которых утверждают, что на карте неба нет никаких кругов, кроме тех, которые можно провести случайным образом. Общий скептицизм относительно этой теории хорошо отражен в статье научного обозревателя Би-би-си Джейсона Палмера[48].