Какова роль квантовых флуктуаций в происхождении Вселенной?

Данные, собранные телескопом Планка, подтвердили несомненную теорию квантового происхождения структуры Вселенной. Что именно произошло после рождения Вселенной? Почему сформировались звезды, планеты и гигантские галактики? На эти вопросы пытается ответить Вячеслав Муханов, космолог из Университета Людвига Максимилиана в Мюнхене, эксперт в области теоретической космологии.

Муханов использовал понятие так называемых квантовых флуктуаций, чтобы построить теорию, которая обеспечивает точную картину важнейшей начальной стадии эволюции нашей Вселенной: без минимальных вариаций в плотности энергии, которые появляются из крошечных, но неизбежных квантовых флуктуаций, невозможно представить образование звезд, планет и галактик, представляющих известную нам Вселенную.

Plank Consortium опубликовал новые анализы данных, собранных космическим телескопом Планка, который измеряет распределение космического микроволнового фонового излучения (CMB). Оно подсказывает нам, как в сущности выглядела Вселенная спустя 400 000 лет после Большого Взрыва. Последние данные находятся в полном соответствии с предсказаниями теории Муханова — например, расчета значения так называемого спектрального индекса начальных неоднородностей.

«Данные Планка подтверждают основные предсказания, что квантовые флуктуации лежат в основе происхождения всех структур Вселенной, — говорит Жан-Лу Пьюджет, главный исследователь инструмента HFI на спутнике Планка. Муханов, впервые опубликовавший свою модель в 1981 году и присоединившийся к факультету физики университета в 1997 году, говорит, что «не мог и рассчитывать на лучшее подтверждение своей теории».

Идея того, что квантовые флуктуации должны были сыграть свою роль на самом раннем этапе истории Вселенной, вытекает из принципа неопределенности Гейзенберга. Гейзенберг показал, что существует конкретный предел точности, с которой можно определить положение и импульс частицы в любой определенный момент. Это, в свою очередь, предполагает, что изначальное распределение материи будет проявлять минутные неоднородности в плотности. Расчеты Муханова первыми показали, что такие квантовые флуктуации могут повлиять на разницу плотностей в ранней Вселенной, что, в свою очередь, может стать своего рода зернами для галактик и их скоплений. В действительности, без квантовых флуктуаций, природу и величину которых количественно охарактеризовал Муханов, наблюдаемое распределение материи во Вселенной было бы необъяснимо.

Последнее изучение наборов данных Планка более детально и информативно, чем предварительный анализ, опубликованный около двух лет назад. Оно показывает узоры, отпечатанные первичными флуктуациями на распределении радиации юной Вселенной, с беспрецедентной точностью. Инструменты вроде телескопа Планка смогли записать эти депеши из невообразимо далекого прошлого, зашифрованные в микроволновом фоне, которые идут через весь космос уже 13,8 миллиарда лет. Из этой информации, которую смогла реконструировать команда Планка, вылилась подробная картина распределения материи во время рождения Вселенной.

Кроме того, данные Планка показывают, что сигнал, подтверждающий возможное существование первичных гравитационных волн, полученный ранее, может быть серьезно связан с пылью в нашей собственной галактике. Команда BICEP2 использует наземный телескоп в Антарктиде для поиска признаков гравитационных волн, родившихся сразу после Большого Взрыва.

В марте 2014 года эта группа сообщила об обнаружении долгожданного паттерна. Однако вскоре эта интерпретация утонула под грузом сомнений. Совместный анализ команд Планка и BICEP2 привел ученых к выводу, что данных, непосредственно подтверждающих существование гравитационных волн, пока нет. Весной 2014 года Муханов пришел к выводу, что если его теория верна, команды BICEP2 и Планк могут ошибаться обе.

Этот последний анализ Планка — BICEP2 показывает, что теоретическая база вполне обоснована. «Гравитационные волны могут быть там, — сказал Муханов, — но наши инструменты могут быть недостаточно чувствительны, чтобы их уловить». Вне зависимости от того, чем обернется поиск первичных гравитационных волн, ни одна из моделей, которая пытается уловить состояние Вселенной после Большого Взрыва, не может обойтись без квантового происхождения структур Вселенной.