САХАРОВСКИЕ ОСЦИЛЛЯЦИИ. Вклад в космологию
Привет! Кирилл Масленников, пулковский астроном, ведущий научно-популярного канала QWERTY. Сейчас, в эти минуты, именно когда мы записываем этот ролик, в Москве, в Президиуме Российской Академии наук идет торжественное собрание, посвященное 100-летию со дня рождения академика Сахарова. Этому я хочу посвятить наш сегодняшний ролик.
Я хочу рассказать об одной очень значительной работе, которую Андрей Дмитриевич опубликовал еще в 65 году. Но сначала не могу не сказать несколько слов просто о том, какая это фантастическая фигура, какая необыкновенная судьба, какая невероятная жизнь. Он входил в советский атомный проект, в который входили и Капица, и Курчатов, и Зельдович, и вся вершина советской теоретической физики. Все крупнейшие монстры науки были тогда в этом проекте, и Андрей Сахаров, хоть он был крайне молод в это время, только-только закончил аспирантуру у Тамма.
Он был не просто исполнителем в этом проекте — он действительно был одной из центральных фигур. Знаменитая сахаровская слойка, слойка Сахарова — эта идея термоядерной водородной бомбы, которая и была первой взорвана в Советском Союзе. Это была его конструкция, и за это он получил своего первого «Героя». Вообще он, как и все эти прочие гранды атомного проекта, мог похвастаться тремя золотыми звёздочками.
Он не носил свои звёздочки, но они у него были. И вот, удивительное дело — человек, который находился на самой вершине академического положения (он стал академиком в 32 года, невероятно рано его избрали в Академию наук), он действительно был физиком высочайшей категории, высочайшего класса. Об этом говорят все, кто общался с ним, все, кто с ним сталкивался, все профессионалы.
И при этом, имея возможность наслаждаться всеми возможностями своего положения, комфорта, всего остального, будучи вхож в высшие эшелоны власти Советского Союза, он при этом выбрал такую невероятную трудную и мучительную судьбу. Собственно говоря, с его знаменитого эссе «Размышления о прогрессе, мирном сосуществовании и интеллектуальной свободе» началась эпоха интеллектуальных потрясений, которые кончились тем, что Советский Союз развалился, и мы вот живем там, где мы сейчас живем.
Роль этой гигантской фигуры, Андрея Дмитриевича, она, конечно, здесь очень велика. Воочию можно видеть, как много на самом деле значит личность. И вот он, как я уже сказал, находясь в зените своей известности и силы научной, всего остального, он выбрал такую невероятно противоречивую, сложную, мучительную судьбу, которая закончилась в конце концов принудительным кормлением. Он держал голодовку, его привязывали к кровати, и хватали за руки, за ноги, он пытался вырваться, а в него вставляли трубку, в эту трубку насильно вливали питание.
Тем не менее, он сознательно выбрал это. Но я сегодня, конечно, не об этом собираюсь рассказывать — это все прекрасно, все и так знают, и у каждого на этот счет свои есть мнения. Я хочу поговорить об этой знаменитой работе 65 года, которая с моей точки зрения, ну, просто удивительная. Сейчас объясню, в чём дело. Вам придется набраться терпения.
Обычно всё-таки я пытаюсь делать ролики на какие-то зрелищные темы, где можно показать много интересных иллюстраций и прекрасных астрономических инструментов, которые поражают воображение своим масштабом и красотой, и всякие космические снимки, которые тоже всегда приятно разглядывать. А вот сегодня я себя лишил этой возможности, потому что я собираюсь рассказывать о чисто теоретической работе, и я, честно говоря, сам побаиваюсь — не знаю, как это у меня получится, справлюсь ли я с этим?
Давайте вместе наберемся терпения и попытаемся вникнуть вот в этот сюжет. Итак, середина 60-х годов. Уже все, в общем, разделяют идею Большого взрыва, вернее, более точно, расширения Вселенной. Расширение Вселенной для астрофизиков в это время уже свершившийся факт. Все понимают, что другого альтернативного объяснения наблюдательным фактам, вот разбеганию галактик, которое ещё Хаббл установил в конце двадцатых годов, другого объяснения нет.
Но вот работа, которую написал Андрей Дмитриевич, ставит критический вопрос — ставит вопрос о том, откуда, собственно, всё началось. Откуда взялась структура нынешней Вселенной, как она могла образоваться? Для этого как бы мы запускаем фильм обратно и возвращаемся в моменты, которые непосредственно следуют за Большим взрывом. И в это время, по мысли Сахарова, происходит вот что: имеется компактная область огромной плотности — 10 в 89 степени барионов на кубический сантиметр, то есть, гигантская плотность вещества, перемешанного с излучением. Это такой первобытный суп, где излучение сразу же поглощается, переизлучается. В общем, это такая вот единая, сверхплотная масса.
И дальше — первая крышесносная, я бы сказал, идея. Идея заключается в том, что в этой массе возникают гравитационные неоднородности, и эти гравитационные неоднородности возникают на квантовом уровне. Вот это была первая удивительная идея — что квантовые флуктуации вызывают гравитационную неустойчивость. Процесс, по идее, квантовый вызывает макроскопические гравитационные возмущения.
Это была первая очень нетривиальная идея: как бы, из ничего — что-то, из микроскопического макроскопическое. Следующий шаг в этой идее заключался в том, что дальше в этой первичной Вселенной, благодаря вот этой гравитационной неустойчивости, возникают звуковые волны, то есть, волны сжатия, волны плотности – то же самое, что представляет собой звук, который я сейчас исторгаю из себя, записывая этот ролик.
Только, конечно, это совсем другой звук и совершенно другая среда. В этой среде скорость звука «це», деленное на корень из трёх, то есть, скорость света, деленная на корень из трёх. Скорость звука в такой среде достигала 170 тысяч километров в секунду — фантастический звук, который невозможно услышать. Но тем не менее, это не что иное, как звук.
Вы знаете, что я не очень склонен к романтическим вокруг космоса рассуждениям, но здесь такая аналогия приходит в голову – помните, сказано где-то было, что в начале было слово? Вот, получается, что мир возник из звука! После того, как возникли эти квантовые флуктуации, началась звуковая деформация, которая привела к образованию неоднородностей в этой среде, и эти неоднородности породили затем всю Вселенную. Из них возникли первичные галактики, и дальше всё покатилось. То есть, всё началось вот с этого невероятного звука, с этих звуковых волн.
А дальше мысль Сахарова была следующей: он сумел показать, что эти звуковые колебания образуют в первичном этом бульоне, в этом невероятном супе стоячие волны, устойчивые образования плотности, которые делятся по гармоникам. Самая крупная первая гармоника, потом дальше интенсивность убывает. Есть специальные функции, которые описывают такие волны плотности — это функции Бесселя.
Сейчас вот на картинке вы видите, как выглядит такая функция Бесселя. Вот что Андрей Дмитриевич, собственно, сделал в этой работе: он сумел вывести аналитически вот этот спектр волн плотности, показать, каким образом будут эти стоячие волны распределяться по интенсивности. Казалось бы, это скучная теория. Ну, допустим, что в этом первичном бульоне были какие-то волны стоячие. Но что случилось затем?
Послушайте, свою работу Сахаров делал в предположении, что первичная Вселенная холодная. Это устоявшееся, как мы сейчас знаем, ошибочное представление, его разделял Яков Борисович Зельдович, а он был тогда крупнейший величиной в космологии. Под его влиянием, Андрей Дмитриевич тоже считал, что первичная плазма она холодная. Но очень скоро Пензиас и Уилсон открыли реликтовое излучение, которое было неоспоримым доказательством того, что первичная Вселенная была горячей, а не холодной.
Уже к концу 90-х стало понятно, что вот это реликтовое излучение является как бы застывшей фотографией структуры первичного облака в тот момент, когда излучение всё-таки смогло выйти из него и стало распространяться во все стороны. Возникла идея (в это время Андрея Дмитриевича уже не было в живых), что если мы будем изучать структуру температуры вот этого первичного бульона, вот этого реликтового излучения, то тем самым мы сможем проанализировать структуру неоднородностей в первичном веществе.
И, как вы тоже, наверное, хорошо знаете, это было сделано с помощью космических измерений. Спутники «Планк» и WMAP получили вот эту знаменитую карту неоднородностей реликтового излучения. Она выглядит такой пёстрой — на самом деле она исключительно плоская, она исключительно однородная. Различия синих и оранжевых областей, как вы знаете, лежат на уровне одной стотысячной доли. Проанализировав спектр мощности вот этих флюктуаций, удалось получить именно ту структуру неоднородностей, которая и была свойственна первичному веществу.
И что вы думаете? Эта структура повторила в очень большой степени ту теоретическую модель, которую Андрей Дмитриевич получил в 65 году. Вот это мне кажется совершенно удивительная победа теории. Исходная модель была неверна, потому что модель была холодной, а не горячей, и действительно, его оценки степени неоднородности, оценки размера структур, которые должны после этого появиться — они оказались довольно сильно отличающимися от реальности — около 10 в пятой солнечных масс, то есть, размер порядка шарового скопления, а не галактики, где, как известно, 10 в девятой – 10 в десятой солнечных масс.
Но теперь, после соответствующих корректив, мы из той же теории получаем совершенно новые, нормальные значения. Аппарат остался тем же самым. То есть, то, что сделал Андрей Дмитриевич, оно совершенно не утратило своей силы. Более того, теперь, пользуясь вот этой замечательной картинкой, которую вы сейчас видите, мы можем сделать множество очень глубоких выводов, касающихся структуры нашей Вселенной. Вот этого уже Сахаров предвидеть не мог, потому что эти выводы базируются на модели лямбда CDM, которая была гораздо позже разработана.
Зато теперь, сопоставляя модель вот с этими пиками картинки, которую вы сейчас видите, мы можем сделать несколько важнейших выводов. Посмотрите, перед нами несколько пиков вот этой функции Бесселя или, другими словами, спектр Фурье, спектр мощности вот этих вот неоднородностей. Что мы видим на графике? Попытаемся разобраться в этом.
По вертикальной оси — температурные разности, температурные неоднородности. А по горизонтальной — угловой характерный размер неоднородностей. Центральный пик на уровне примерно 1 градуса. Именно такое значение – восемь десятых градуса углового — даёт теория для плоской Вселенной. Вот смотрите, сейчас на картинке видно, как меняется, как должен измениться этот спектр, если мы меняем параметр кривизны Вселенной. То есть, то, что мы видим на спектре мощности, соответствует практически абсолютно плоской Вселенной.
Первый пик после главного соответствует плотности барионного вещества. Исходя из относительной величины этого пика, можно вычислить плотность барионного вещества, а через неё постоянную Хаббла. И то и другое достаточно хорошо соответствует тому, что мы наблюдаем. Более того, вот этот способ измерения постоянной Хаббла — это новый независимый способ, который даёт нам эту константу.
И наконец, последний пик — это тёмная материя, это плотность тёмной материи. И это тоже важнейший параметр, потому что это ещё одно доказательство того, что темная материя существует. Если бы её не было, не было бы этого пика — тогда обычная материя не успела бы за то время, которое прошло с момента Большого взрыва, сконденсироваться в ту структуру, которую мы наблюдаем сейчас.
Вот такие далеко идущие последствия из работы Андрея Дмитриевича Сахарова, опубликованной в журнале экспериментальной и технической физики в 1965 году. Мне бы хотелось еще продолжать, потому что значение постоянной Хаббла, полученное по спектру сахаровских осцилляций, а надо сказать, что этот график так и называется сейчас у астрофизиков «сахаровские осцилляции». Так вот, значение постоянной Хаббла, которое мы оттуда получаем, противоречит значению, которое получено другими методами, и об этом ещё хотелось бы поговорить.
Это знаменитая проблема «Hubble Tension», которая сейчас стоит в центре современной астрофизики. Поэтому если у вас есть желание, напишите, мы, может быть, продолжим эту тему. Но возможно, что получилось настолько скучно, что я вообще лучше больше не появляться. Поэтому давайте, отзовитесь как-нибудь и подумаем, что делать дальше.
До свидания, спасибо, что слушали, ставьте лайки, подписывайтесь, пока.