Современная космология построила свой храм на фундаменте, который, возможно, состоит из песка и благих намерений. Барионные акустические осцилляции — тот самый краеугольный камень, на котором держится наше понимание расширения Вселенной, — могут оказаться не космическим метрономом, а всего лишь статистическим шумом, которому мы отчаянно пытаемся придать смысл. И прежде чем вы закатите глаза и пробормочете что-то про конспирологию, давайте разберёмся, почему десятки серьёзных физиков по всему миру начинают задавать неудобные вопросы.
Наука, как известно, движется вперёд через сомнение. Но что происходит, когда сомневаться становится немодно? Когда карьеры строятся на подтверждении существующей парадигмы, а не на её проверке? Космология последних двадцати лет превратилась в своеобразный клуб по интересам, где все согласно кивают головами и повторяют мантру о тёмной энергии, тёмной материи и, конечно же, о тех самых загадочных барионных осцилляциях.
Но вот в чём штука: когда вы строите небоскрёб из карточного домика предположений, достаточно одного сквозняка, чтобы вся конструкция рухнула. И этот сквозняк уже дует.
Эхо Большого взрыва или шум в данных
Итак, что же такое эти барионные акустические осцилляции, о которых так любят говорить космологи на своих конференциях? Представьте раннюю Вселенную — горячий, плотный суп из частиц, где фотоны и барионы (протоны и нейтроны, если по-простому) были связаны в единое месиво. Этот первичный бульон не просто существовал — он вибрировал. Звуковые волны, порождённые квантовыми флуктуациями, распространялись через эту среду, создавая области сжатия и разрежения.
Спустя примерно 380 тысяч лет после Большого взрыва Вселенная остыла достаточно, чтобы электроны соединились с ядрами, образовав нейтральные атомы. Этот момент называют рекомбинацией — и именно тогда, по официальной версии, звуковые волны застыли, оставив отпечаток в распределении материи. Словно рябь на воде, которую мгновенно заморозили.
Этот отпечаток, утверждают космологи, можно увидеть и сегодня. Галактики, дескать, предпочитают располагаться на определённом характерном расстоянии друг от друга — около 150 мегапарсек. Это расстояние соответствует размеру звукового горизонта в момент рекомбинации, то есть максимальному расстоянию, которое звуковая волна успела пройти за первые 380 тысяч лет существования Вселенной.
Красиво? Безусловно. Элегантно? Несомненно. Доказано? А вот тут начинаются проблемы.
Сигнал барионных осцилляций в данных о распределении галактик — это не яркий пик на графике, а едва заметный бугорок, который нужно старательно выкапывать из моря статистического шума. Мы говорим о корреляциях на уровне нескольких процентов, которые проявляются только после сложнейшей обработки данных с множеством допущений.
Стандартная линейка с кривой шкалой
Космологи обожают называть барионные акустические осцилляции «стандартной линейкой». Логика проста: если мы знаем реальный размер этой рябив ранней Вселенной, то, измеряя её видимый угловой размер на разных расстояниях, можем вычислить, как расширялась Вселенная. Гениально, правда?
Но вот загвоздка: откуда мы знаем «реальный» размер этой линейки? Из модели. Какой модели? Той самой, которую мы пытаемся проверить с помощью этой линейки. Чувствуете запах цирулярной логики? Это она, родимая, и есть.
Размер звукового горизонта вычисляется на основе предположений о составе ранней Вселенной: сколько там было обычной материи, сколько тёмной материи, какова была плотность энергии. Но эти параметры мы как раз и хотим измерить с помощью BAO! Получается змея, кусающая собственный хвост.
Более того, чтобы использовать барионные осцилляции как стандартную линейку, нужно предположить, что общая теория относительности работает на космологических масштабах точно так же, как в Солнечной системе. Это колоссальная экстраполяция — примерно как утверждать, что правила дорожного движения в вашем дворе применимы к управлению галактическими кластерами.
И тут мы подходим к самому интересному. Данные по барионным осцилляциям, полученные разными методами и разными обсерваториями, начинают противоречить друг другу. Напряжение Хаббла — расхождение между значениями постоянной Хаббла, измеренными локально и по реликтовому излучению — достигло статистической значимости в пять сигма. Это уровень, при котором физики обычно объявляют об открытии новых частиц.
Но вместо того чтобы признать, что где-то закралась ошибка, космологическое сообщество продолжает латать дыры новыми гипотезами. А вдруг тёмная энергия меняется со временем? А может, ранняя Вселенная расширялась не совсем так, как мы думали? Каждая новая заплатка требует новых допущений, и карточный домик растёт всё выше.
Когда математика подгоняется под ответ
Признаюсь честно: я не утверждаю, что барионных осцилляций не существует. Вполне возможно, что они реальны. Проблема в другом — в том, как мы их интерпретируем и какие выводы из этого делаем.
Современная космология использует так называемую модель ΛCDM (лямбда-CDM) — стандартную модель, включающую космологическую постоянную и холодную тёмную материю. Эта модель имеет около шести свободных параметров, которые подбираются так, чтобы соответствовать наблюдениям. И здесь начинается магия подгонки.
Когда у вас достаточно свободных параметров, вы можете подогнать практически любые данные. Знаменитый математик Джон фон Нейман, говорят, однажды заметил, что с четырьмя параметрами он может нарисовать слона, а с пятью — заставить его махать хоботом. У космологов параметров больше.
Но даже при всей этой свободе манёвра данные начинают бунтовать. Обзоры распределения галактик, такие как SDSS и BOSS, показывают сигнал BAO, но его амплитуда и точное положение пика зависят от того, как именно вы обрабатываете данные. Какие галактики включаете в выборку? Как учитываете эффекты отбора? Какую космологию предполагаете при переводе красных смещений в расстояния?
Критики указывают на тревожный факт: если анализировать данные без предположения о существовании барионных осцилляций, статистическая значимость сигнала резко падает. Мы видим то, что ожидаем увидеть — классический пример предвзятости подтверждения в масштабах всей научной дисциплины.
И давайте будем честны: карьеры тысяч учёных зависят от того, чтобы стандартная модель космологии оставалась верной. Гранты выдаются на исследования в рамках парадигмы, не на её опровержение. Это создаёт мощнейший институциональный стимул не замечать проблем и не задавать неудобных вопросов.
Тёмные сущности спасают теорию
Поговорим о слонах в комнате — тёмных слонах, которых никто никогда не видел.
Тёмная материя составляет, по официальным оценкам, около 27% энергетического бюджета Вселенной. Тёмная энергия — ещё 68%. Итого: 95% Вселенной состоит из чего-то, что мы никогда напрямую не наблюдали, не регистрировали, не трогали. Мы просто вывели существование этих сущностей из того, что наши модели не работают без них.
Это поразительно напоминает эпициклы Птолемея. Когда геоцентрическая модель не могла объяснить движение планет, астрономы добавляли всё новые круги на круги, пока система не стала невообразимо сложной. Она работала — давала верные предсказания, — но была фундаментально неправильной.
Барионные акустические осцилляции — один из главных аргументов в пользу существования тёмной материи. Дескать, без неё колебания в первичной плазме были бы совсем другими, и мы не увидели бы того характерного масштаба, который наблюдаем. Но это аргумент работает только если мы уже предполагаем, что правильно понимаем физику ранней Вселенной.
А что если мы её не понимаем? Что если гравитация на больших масштабах работает иначе, чем предсказывает общая теория относительности? Теории модифицированной гравитации, такие как MOND и его релятивистские обобщения, могут воспроизвести многие наблюдения без привлечения тёмной материи. И да, они тоже могут объяснить сигнал, который мы интерпретируем как барионные осцилляции, — просто совсем по-другому.
Научное сообщество относится к этим альтернативам с подозрением, граничащим с презрением. Исследователей, работающих над модифицированной гравитацией, нередко маргинализируют, их статьи отклоняют престижные журналы, им сложнее получить финансирование. Это не заговор — это социология науки в действии. Парадигмы защищают себя.
Что если Вселенная устроена иначе
Давайте на минуту допустим немыслимое: стандартная космологическая модель неверна. Не в деталях — в основах. Что тогда?
Во-первых, это не означает, что Вселенная не расширяется или что Большого взрыва не было. Эти факты подтверждаются множеством независимых свидетельств. Но интерпретация барионных осцилляций как универсальной стандартной линейки может быть ошибочной.
Некоторые теоретики предлагают модели с переменной скоростью света — идею, что фундаментальные константы могли быть иными в ранней Вселенной. Звучит безумно? Не более безумно, чем постулирование невидимой материи и энергии, составляющих 95% всего сущего.
Другие исследователи рассматривают неоднородные космологии, где Вселенная не является идеально однородной на больших масштабах. В таких моделях то, что мы интерпретируем как ускоренное расширение, может быть оптической иллюзией, вызванной нашим положением в локальной космической пустоте.
Есть и совсем радикальные предложения: а вдруг пространство-время имеет дискретную структуру на планковских масштабах, и это влияет на распространение света на космологических расстояниях? Квантовая гравитация до сих пор остаётся terra incognita, и мы понятия не имеем, какие сюрпризы она нам преподнесёт.
Смысл не в том, что какая-то конкретная альтернатива верна. Смысл в том, что альтернативы существуют, и честная наука обязана их рассматривать, а не отмахиваться с порога. История физики полна примеров, когда «очевидные» истины оказывались заблуждениями.
Вселенная не обязана быть удобной для наших моделей. Это мы обязаны подстраивать модели под Вселенную.
Наука сомнения против религии уверенности
Так что же делать нам, простым смертным, которые не могут самостоятельно проверить космологические данные?
Во-первых, сохранять здоровый скептицизм. Когда вам говорят, что наука «доказала» что-то о Вселенной в целом, помните: доказательства в космологии — это не то же самое, что доказательства в химии или даже в физике частиц. Мы имеем дело с уникальным объектом, который невозможно воспроизвести в лаборатории, с наблюдениями, которые невозможно повторить при других условиях.
Во-вторых, не путать консенсус с истиной. Научный консенсус — полезная эвристика, но история науки — это кладбище консенсусов. Светоносный эфир, флогистон, статическая Вселенная — все они когда-то были мейнстримом.
В-третьих, обращать внимание на напряжения в данных. Когда разные методы измерения дают разные результаты, это не досадная техническая проблема — это сигнал о том, что где-то в наших построениях скрывается ошибка. И барионные акустические осцилляции находятся прямо в эпицентре этих напряжений.
Космология — молодая наука с большими амбициями. Она пытается описать всю Вселенную на основе крошечного количества данных, наблюдаемых из одной точки пространства за ничтожный отрезок времени. Удивительно не то, что наши модели несовершенны, а то, что они вообще хоть как-то работают.
Барионные акустические осцилляции могут быть реальным эхом Большого взрыва. А могут быть артефактом нашей методологии, статистической флуктуацией, которой мы придали космическое значение. Честный ответ: мы пока не знаем наверняка. И учёный, который признаёт своё незнание, заслуживает большего уважения, чем тот, кто уверенно вещает о вещах, которые никто толком не понимает.
Вселенная, как известно, не только страннее, чем мы думаем, — она страннее, чем мы способны думать. И, возможно, именно барионные осцилляции станут тем местом, где наша самоуверенность наконец споткнётся о реальность.