Однако самое главное для нашей задачи, что на этой поверхности был бы характерный масштаб, который был бы запечатлен там ничем иным как самим временем. Можно понимать это следующим образом: если оценивать расстояние, охватывающее примерно 1 градус на поверхности последнего рассеяния, видимое наблюдателем на Земле, оно будет соответствовать расстоянию примерно в 300 000 световых лет. Итак, поскольку поверхность последнего рассеяния отражает то время, когда самой Вселенной было примерно 300 000 лет, и поскольку Эйнштейн говорит нам, что никакая информация не может перемещаться в пространстве быстрее скорости света, это означает, что никакой сигнал с одного места не мог пройти по этой поверхности за это время более чем на 300 000 световых лет.
Теперь рассмотрим комок материи меньше, чем 300 000 световых лет. Такой комок начнет сжиматься за счет собственной гравитации. Но комок больше, чем 300 тысяч световых лет, даже не начинает сжиматься, потому что он еще даже не «знает», что является комком. Гравитация, которая сама распространяется со скоростью света, не может пройти через всю длину комка. Так же, как Хитрый Койот соскакивает с обрыва и висит, подвешенный в воздухе, в мультфильмах Road Runner, комок будет просто находиться там, ожидая, чтобы сжаться, когда Вселенная станет достаточно взрослой, чтобы знать, что он должен делать!
Это выделяет особый треугольник с одной стороной 300 000 световых лет на известном расстоянии от нас, определяемом расстоянием между нами и поверхностью последнего рассеяния, как показано ниже:
Самые крупные куски материи, которые уже начали сжиматься и при этом создают неровности на изображении микроволновой фоновой поверхности, будут охватывать эту угловую величину. Если мы можем получить изображение этой поверхности, какой она выглядела в то время, мы ожидаем, что такие горячие пятна должны быть, в среднем, самыми крупными кусками, которые мы видим на фото.
Тем не менее, то, будет ли угол, охватывающий это расстояние, равен ровно 1 градусу, будет фактически определяется геометрией Вселенной. В плоской Вселенной лучи света идут по прямой линии. В открытой Вселенной, однако, лучи света изгибаются наружу, если проследить их назад во времени. В замкнутой Вселенной лучи света сходятся, если проследить их назад. Таким образом, фактический угол, измеряемый на наших глазах линейкой длиной 300 000 световых лет, находящейся на расстоянии, связанном с поверхностью последнего рассеяния, зависит от геометрии Вселенной, как показано ниже:
Это служит прямым, чистым показателем геометрии Вселенной. Поскольку размер крупнейших горячих пятен или холодных мест в изображении микроволнового фонового излучения зависит только от причинности — факта, что гравитация может распространяться только со скоростью света, и поэтому крупнейшая область, которая может сжаться за это время, определяется просто наибольшим расстоянием, на которое за это время может распространиться луч света — и поскольку угол, который мы видим, перекрываемый определенной длины линейкой на определенном расстоянии от нас, обусловлен лишь кривизной Вселенной, простое изображение поверхности последнего рассеяния может открыть нам масштабную геометрию пространства-времени.
Первым экспериментом с попыткой таких наблюдений был эксперимент с запуском воздушного шара в Антарктиде в 1997 году под названием BOOMERANG. В то время как этот акроним расшифровывается как Balloon Observations of Mllimetric Extragalactic and Geophysics, реальная причина, почему его так называли, проще. Микроволновый радиометр был прикреплен к высотному аэростату, как показано ниже:
Затем воздушный шар облетел вокруг света, что легко сделать в Антарктике. На самом деле, на Южном полюсе это действительно легко сделать, так как вы можете просто развернуться по кругу. Тем не менее, от станции Мак-Мердо полет по кругу вокруг континента с помощью полярных ветров занял две недели, после чего устройство вернулось к исходной точке, отсюда и название BOOMERANG.
Цель полета воздушного шара была проста. Чтобы получить изображение микроволнового фонового излучения, отображающее температуру на 3 градуса выше абсолютного нуля (по шкале Кельвина), не загрязненное намного более горячей материей на Земле (даже в Антарктиде температура более чем на двести градусов жарче, чем температура космического микроволнового фонового излучения), нам нужно подняться как можно дальше от Земли, и даже выше большей части земной атмосферы. В идеале для этой цели мы используем спутники, но высотные воздушные шары могут сделать большую часть работы за гораздо меньшие деньги.
В любом случае, спустя две недели BOOMERANG вернулся с изображением небольшого участка неба в микроволновом диапазоне, показывающего горячие и холодные пятна в картине излучения, поступающего от поверхности последнего рассеяния. Ниже показано одно изображение области, наблюдавшейся в эксперименте BOOMERANG (с «горячими» и «холодными» пятнами, обозначенными темным и светлым соответственно), наложенное на исходную фотографию эксперимента.
Это изображение служит двум нашим целям. Во-первых, оно отображает реальный физический масштаб горячих и холодных пятен, увиденных в небе с помощью BOOMERANG, с основным изображением для сравнения. Но оно также иллюстрирует еще один важный аспект, который можно назвать только нашей космической близорукостью. Когда мы смотрим солнечным днем, мы видим голубое небо, как показано на предыдущем изображении с воздушного шара. Но это лишь потому, что мы эволюционировали, чтобы видеть видимый свет. Причина, без сомнения, в том, что свет от поверхности нашего Солнца достигает пика в видимой области, а также в том, что многие другие длины волн света поглощаются нашей атмосферой, поэтому они не могут достичь нас на поверхности Земли. (Это большая удача для нас, так как большая часть этого излучения может быть вредным.) В любом случае, если бы мы вместо этого эволюционировали, чтобы «видеть» микроволновое излучение, образ неба, который бы мы видели, днем или ночью, при условии, что мы не смотрели бы прямо на Солнце, повторял бы непосредственно изображение поверхности последнего рассеяния, находящееся более чем в 13 млрд. световых лет от Земли. Этот «образ» был получен детектором BOOMERANG.
Первый полет BOOMERANG, сделавший это фото, был удивительно удачным. Антарктика — недружелюбная, непредсказуемая среда. В более позднем полете, в 2003 году, весь эксперимент чуть не провалился из-за неисправности воздушного шара и последующей бури. Принятое в последний момент решение избавиться от шара, прежде чем его унесет в какое-то недоступное место, спасло ситуацию, и поисково-спасательная экспедиция обнаружила научный груз на антарктической равнине и восстановила герметичный сосуд, содержащий научные данные.
Прежде чем проанализировать изображение BOOMERANG, я еще раз хочу подчеркнуть, что реальный физический размер горячих и холодных пятен, зарегистрированных на фотографии BOOMERANG, определяется простой физикой, связанной с поверхностью последнего рассеяния, а измеренные размеры горячих и холодных пятен на изображении обусловлены геометрией Вселенной. Простая двумерная аналогия может помочь в дальнейшем объяснить результат: в двумерном виде закрытая геометрия напоминает поверхность сферы, тогда как открытая геометрия напоминает поверхность седла. Если мы нарисуем треугольник на этих поверхностях, мы наблюдаем эффект, который я описал, когда прямые линии сходятся на сфере и расходятся на седле, и, конечно же, остаются прямыми на плоской поверхности:
Итак, в настоящий момент вопрос на миллион долларов звучит так: насколько велики горячие и холодные пятна на фото, сделанном BOOMERANG? Чтобы на это ответить, сотрудники BOOMERANG подготовили на своем компьютере несколько смоделированных изображений горячих и холодных пятен, которые наблюдались бы в закрытых, плоских и открытых вселенных, и сравнили их с изображением (другого цвета) фактического микроволнового излучения неба.
Если вы посмотрите на изображение смоделированной замкнутой Вселенной в левом нижнем углу, вы увидите, что в среднем пятна крупнее, чем в реальной Вселенной. Справа средний размер пятен меньше. Но, как кровать медвежонка в «Златовласке», изображение посередине, соответствующее моделируемой плоской Вселенной, подходит «в самый раз». Математически красивая вселенная, которую страстно ожидали теоретики, казалось, подтверждалась этими наблюдениями, хотя это, похоже, сильно противоречило оценкам, сделанным путем взвешивания скоплений галактик.
На самом деле, совпадение между предсказаниями для плоской Вселенной и изображением, полученным с помощью BOOMERANG, почти приводит в замешательство. Рассматривая пятна и ища самые крупные, у которых было время значительно сжаться на момент отражения от поверхности последнего рассеяния, команда BOOMERANG создала следующий график:
Данные отмечены точками. Сплошная линия предсказывает плоскую Вселенную, с наибольшим пиком около 1 градуса!
После того, как были опубликованы результаты эксперимента BOOMERANG, НАСА запустило гораздо более чувствительный спутниковый зонд для изучения микроволнового фонового излучения, Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP). Названный в честь покойного физика из Принстона Дэвида Уилкинсона, который был одним из первых принстонских физиков, кто должен был обнаружить реликтовое излучение раньше ученых из Bell Labs, WMAP был запущен в июне 2001 года. Он был послан на расстояние в один миллион миль от Земли, где на противоположной от Солнца стороне Земли он мог наблюдать микроволновое излучение неба, не загрязненное солнечными лучами. В течение семи лет он создал изображение микроволнового излучения всего неба (а не только части неба, как это сделал BOOMERANG, поскольку BOOMERANGу мешало присутствие Земли под ним) с невиданной точностью.