Как возникла Вселенная? Что было до Большого Взрыва? Космологи начали задавать эти вопросы с тех пор, как был обнаружен факт того, что наш мир не вечен, а возник однажды практически «из ничего» (из чрезвычайно малого объема) и с тех пор постоянно расширяется. Ответы на них получить нелегко, поскольку приходится исследовать события, отстоящие от нашей эпохи почти на 14 млрд лет. Тем не менее, реализуемые сегодня наблюдения могут способствовать решению этой проблемы. В ходе новых исследований был предложен еще один способ «заглянуть» в начала пространства и времени, который поможет определить, какая из конкурирующих теорий является правильной.

Наиболее признанным теоретическим сценарием пока остается теория инфляции, которая утверждает, что в первые мгновения своей жизни Вселенная расширялась экспоненциально, со скоростью, многократно превышавшей скорость света. Также были предложены альтернативные гипотезы — например, идея циклической вселенной или конформная космология. Какая из них описывает события, действительно имевшие место, могут подсказать только новые результаты измерений, позволяющие построить сценарий развития, наилучшим образом отвечающий современным параметрам нашего мира.

Одним из источников информации о начале Вселенной является реликтовое микроволновое излучение (cosmic microwave background — CMB), длина волны (или температура) которого на первый взгляд кажется однородной во всех направлениях, но при более детальном рассмотрении обнаруживаются очень незначительные отклонения этого параметра от среднего значения. Они возникли из-за квантовых флуктуаций, присутствовавших при рождении Вселенной и «растянутых» по мере ее расширения. Таким образом, неравномерность распределения температуры реликтового излучения по небесной сфере является «отпечатком» неоднородностей, возникших вследствие квантово-механических эффектов.

Справедливость того или иного сценария также может быть подтверждена исследованием влияния гравитационных волн, возникших в первые мгновения Вселенной, на распределение неоднородностей CMB. Однако недавно группа ученых предложила новый подход, который может напрямую раскрыть подробности ее ранней эволюции, поскольку они уникальны для каждого отдельного сценария.

Предыдущие экспериментальные и теоретические работы в основном исследовали пространственные изменения молодой Вселенной, при этом они испытывают недостаток в ключевом элементе — надежной шкале времени. Без «тикающих часов» (масштаба времени) эволюционная картина той эпохи не может быть однозначно определена.

Синганг Чэнь из Гарвард-Смитсоновского астрофизического центра (Xingang Chen, Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) так объясняет суть нового подхода: в рамках «Теории всего», которая призвана объединить квантовую механику и Общую теорию относительности, должны существовать тяжелые частицы, колеблющиеся с постоянной строго определенной частотой.

Они получили название «первичных стандартных часов» (primordial standard clocks) и могут быть использованы для измерения хода времени при рождении Вселенной. Колебания этих частиц описываются теми же законами, что и квантовые флуктуации на ранних этапах ее эволюции, поэтому их эффект может быть заметен в рисунке распределения неоднородностей CMB, уникальных для каждого сценария. К сожалению, доступная на данный момент точность данных недостаточна для выявления ожидаемых вариаций.

Продолжительные эксперименты, реализуемые в настоящее время, должны существенно прояснить ситуацию. Такие проекты, как BICEP3, Keck Array и многие другие, накапливают весьма точные измерения CMB, и параллельно ведется планомерный поиск гравитационных волн. Если колебания первичных стандартных часов окажутся достаточно сильными, их можно будет обнаружить уже в ближайшее десятилетие. Подтверждающие данные могут появиться и в других областях исследований — таких, как уточнение крупномасштабной структуры Вселенной (изучение распределения галактик и космического водорода).

Поскольку первичные стандартные часы станут составной частью «Теории всего», их наличие также предоставит ценные сведения о физике за пределами стандартной модели в диапазонах энергий, недоступных для земных коллайдеров.