Прорыв за край мира

33. Вклад реликтового излучения в фундаментальную физику

Космологическая инфляция работает как исполинский конвейер. Все возмущения плотности рождаются с определенным размером: 10^-27 см или около того. Потом каждое возмущение растягивается в е раз за каждые 10^-37 с, за это время генерируются новые, еще не растянутые. Пока конвейер работает с постоянной скоростью, спектр флуктуаций получается почти плоским. И когда он останавливается, проработав, скажем, 10^-34 с, имеем почти плоский спектр, простирающийся от 10^-27 см до, например, 10⁴⁰⁰ см (последняя цифра очень условна). Нас интересуют те возмущения, которые при остановке составляли от долей микрона до долей миллиметра, — именно они растянулись уже после инфляции в те неоднородности, которые видит WMAP. Когда они генерировались, «колесам конвейера» предстояло сделать еще около 50-60 «оборотов», т.е. растяжений в е раз. И из измеренного значения упрямо следует, что «конвейер» к тому моменту уже притормаживал — движущее скалярное поле ослабевало. Скорость торможения (характеризуемая отличием n_s от 1), зависит от характеристик этого поля. Так люди дотянулись до физики явлений, на десять с лишним порядков выходящих за пределы возможностей Большого адронного коллайдера.

И это еще не всё! Физики предполагают, что число нейтрино равно трем и нет других частиц со столь же малой массой. Но это только предположение. Объединенные данные WMAP и других инструментов показывают, что число частиц, слабо взаимодействующих с веществом и имеющих малую массу: 3,84 ± 0,40 — т.е. указывают на возможность существования еще одной частицы. Однако эксперимент «Планк» (см. главу 36) скорректировал этот результат в сторону трех.

В эпоху рекомбинации нейтрино имеют кинетическую энергию примерно в 0,2 эВ. Если бы у нейтрино была масса, превышающая эту энергию, то они двигались бы заметно медленнее света, и это опять бы сказалось на карте реликтового излучения. Если брать

194 только данные WMAP, то из них следует ограничение сверху на сумму масс нейтрино 1,3 эВ. Это уже лучше, чем ограничение на массу электронного нейтрино, полученное в лаборатории. А если привлечь все данные, то получается, что сумма масс всех нейтрино меньше 0,44 эВ. Это уже тот уровень, который очень непросто достичь в лабораторных условиях. Впрочем, это отнюдь не означает, что лабораторные эксперименты по измерению массы нейтрино надо прекращать: исследователи по своему призванию обязаны испробовать все возможные способы для определения важной фундаментальной величины.

34. Почему это так хорошо получается

Одно из важнейших свойств человека — способность поражаться происходящему в окружающем мире (в смысле впадать в крайнюю степень удивления). Например, автор, будучи в состоянии далеко не первой молодости, поражается тому, как юная гимнастка взлетает со снаряда, крутится вокруг двух осей, приземляется точно на ноги и при этом не разваливается. В детстве автор поражался тому, как стреляет ружье и ездит машина — как щепотка пороха в патроне и капля бензина в цилиндре развивают такую силу. А вот тому, как работает компьютер, я не поражался никогда, поскольку начинал работать с самыми древними машинами, программируемыми в восьмеричных кодах, где работу можно было проследить пошагово, глядя на панель с лампочками, отражающими текущую команду в двоичном виде. Последующий прогресс плавно проистекал на моих глазах.

Вероятно, и у тех, кто начинал заниматься космологией в 1980-1990-х годах, триумф теории и эксперимента, изображенный на рис. 32.2, никакого удивления не вызывает. Однако, ни автор, ни подавляющее большинство читателей к таковым не относятся, и потому согласие между теоретической кривой с подогнанными шестью параметрами и данными на рис. 32.2 можно назвать поразительным, фантастическим. Шесть параметров для сложной кривой со многими максимумами с неочевидными соотношениями высоты — это очень экономно, примерно, как убить шестью выстрелами тридцать зайцев. Причем полученные значения параметров близки к тем, что были извлечены раньше (хотя и с меньшей точностью) из данных о современной Вселенной.