Дмитрий Горбунов о поиске других моделей эволюции Вселенной

Знание – силаНаука

Связывая микромир с громадной Вселенной

Беседовал Игорь Харичев

Дмитрий Сергеевич Горбунов, доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН, главный научный сотрудник Института ядерных исследований РАН. Область исследований Д. С. Горбунова – передний край современной фундаментальной физики, рассматривающей с единых позиций явления микро- и макромира. Мы продолжаем начатый в «З‑С» № 4/24 разговор с Дмитрием Сергеевичем о находящихся в тесной внутренней взаимосвязи законах физики элементарных частиц и космологии как науки об эволюции Вселенной.

«Знание – сила»: Почему многих космологов не устраивает сингулярность, которую предполагает модель горячего Большого взрыва? По сути, от нежелания признать возможность сингулярности начался поиск других моделей эволюции Вселенной, в частности, инфляционной модели.

Дмитрий Горбунов: Тут сложная история – отчасти зависящая от конкретного ученого. Разные люди по-разному на эту проблему смотрят. С одной стороны, мы понимаем, что когда мы описываем Вселенную в целом с ее большими расстояниями, говоря: вот у нас большое облако частиц, мы приближенно говорим, что это облако может характеризоваться давлением и плотностью, и этого нам достаточно – мы отлично описываем Вселенную в целом, считая что она заполнена такими частицами. С другой стороны, когда мы пытаемся описать некоторые эффекты, связанные с нейтрино – это относится к изучению процессов, происходящих на малых пространственных масштабах в каких-то небольших структурах, – нам уже важно, что на самом деле отщепившиеся нейтрино все-таки частицы, что они летают отдельно, свободно. Есть такой эффект, который в англоязычной литературе называется фристриминг – свободное распространение – он приводит к тому, что если где-то было частиц больше и они свободно распространяются, они оттуда улетят туда, где их было меньше. Таким образом, неоднородности небольших пространственных размеров исчезают. Соответствующие размеры, конечно, определяются расстоянием, которое проходят нейтрино в ту эпоху. Приближение облака частиц, характеризующегося давлением и плотностью, для описания такого процесса не работает. Когда мы говорим про ситуацию с сингулярностью, мы двигаемся, двигаемся, двигаемся по уравнениям Эйнштейна от современной эпохи назад по времени и можем прийти к сколь угодно большой плотности энергии. Но тут мы приходим к ситуации, когда классические уравнения перестают работать. Действительно, у каждой частицы есть квантовый размер, характеризующийся волной де Бройля. Мы понимаем, что она квантовая, и если мы рассматриваем еще меньшее пространство – там квантовые свойства надо использовать, – частицы начинают активно взаимодействовать друг с другом, и это всё при еще неизвестной нам квантовой гравитации, и так далее. То есть возникает много всяких вопросов, которые говорят в пользу того, что наверняка классические уравнения тут не работают и, соответственно, нужно предлагать какие-то другие уравнения. Тогда зачем обсуждать в рамках классических уравнений эту сингулярность? Можно, например, так к этому относиться. С другой стороны, можно пытаться построить математически корректную теорию в рамках общей теории относительности или ее модификации, которая позволяла бы провести эволюцию Вселенной, решение уравнения Фридмана, через эту сингулярность, предположим, в рамках классической физики. И если, например, смотреть на модель Старобинского1, это одна из инфляционных моделей, то там проблема сингулярности – как раз основная мотивация в ее создании. Старобинский хотел построить модель, в которой такой космологической сингулярности нет изначально.

1 Алексей Александрович Старобинский – российский физик-теоретик, автор работ по гравитации и космологии, академик РАН.

Вместе с тем, если обсуждать проблемы модели горячего Большого взрыва, где сингулярности есть, то там возникают такие физические проблемы: почему Вселенная однородная? Почему области, которые в прошлом вроде бы не были в причинной связанности, если смотреть на расширение Вселенной, в какой-то момент времени начинают выглядеть одинаково? Если в момент условной сингулярности испустить фотоны, они пролетят какое-то расстояние, и это расстояние есть размер причинно-связной области. Что расположено за этой областью? Условно говоря, мы не могли «их там предупредить», не могли заставить во всех областях «покрасить все, к примеру, в зеленый цвет». Там, скажем, синий будет. На следующий день открываем глаза, видим бόльшую Вселенную, видим те области, которые не были причинно связаны, и видим – там все зеленое, как и здесь! Что такое?! Почему так?! Непонятно с физической точки зрения. Не могли там «успеть получить информацию». Это не объясняется в рамках теории горячего Большого взрыва, ее все равно нужно как-то модифицировать. А модификация в инфляционном представлении – что в ранней Вселенной была эпоха, которая выглядела как экспоненциальное ее расширение, – она объясняет эти проблемы. Это очень экономная и продуктивная идея, но при этом замечательном экспоненциальном расширении Вселенной нет вообще шансов заглянуть в более ранний период – а что было до этой эпохи? Потому что экспоненциальное расширение приводит к тому, что любая предшествующая информация, все намеки на предыдущую историю, они просто смываются, любые «горки» становятся экспоненциально плоскими. Это как если бы вы диск компьютерный с записями взяли и по-настоящему его отформатировали – что там останется? И если такая модель работает, задаваться вопросом, что было до этого, была ли там сингулярность или не было там сингулярности, не имеет смысла. Не очень понятно, как этот вопрос сформулировать с точки зрения наблюдаемых данных. Да, можно обсуждать, как начинался инфляционный период, что было до этого. Что было до этого в этой части Вселенной, в этом куске пространства. Но что можно теперь посмотреть, чтобы убедиться, что так и было в вашей модели? Ничего, потому что все разглажено. Это весьма обескураживающая особенность данного подхода. Он жесткий, мощный, решил все проблемы горячего Большого взрыва, но при этом не позволяет заглянуть, что было до него. Там сингулярность, которую никак не обойти. Можно что-то вместо нее придумать, но для экспериментального подтверждения конкретной идеи после инфляционного расширения ничего не осталось.

«ЗС»: Неоднородности, которые объясняет инфляционная модель, они оттуда же идут?

Д. Г.: Они из эпохи инфляции – не из доинфляционной эпохи. Они образовались именно в этот момент, когда происходило экспоненциальное расширение. В этом смысле они не требуют никакой предыстории. Более того, тот спектр неоднородностей, который мы наблюдаем, хорошо согласуется с очень естественным представлением – оно выглядит так: начальные условия для инфляционного квантового поля до инфляционной эпохи были такие, что не было никаких частиц. Это был чистый вакуум2. Были бы частицы, мы всегда могли бы умствен-но провести такой эксперимент: инфляция началась в какой-то момент. А давайте подумаем, что было немного раньше. Тогда, если у вас было квантовое состояние, в котором находилось несколько частиц в более раннюю эпоху, а у вас экспоненциальное расширение – длины волн растут, энергии все падают экспоненциально, – значит, в прошлом, наоборот, они экспоненциально больше. Тогда в более раннюю эпоху у вас должны были быть частицы с импульсами больше планковских3. Нужна квантовая гравитация. Нам необходимо построить теорию квантовой гравитации. При чистом вакууме, когда никаких таких частиц нет, и не нужно для объяснения строить квантовую гравитацию, мы имеем решение, которое работает вполне замечательно.

2 Стоит напомнить, что вакуум – это не пустота, а некоторое энергетическое состояние.

3 Планковский импульс – единица измерения импульса в планковской системе единиц. Это верхняя граница импульса для безмассовых частиц.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

«Не хочу» остро мыслящего человека «Не хочу» остро мыслящего человека

«Minima moralia»: как человек с обрушившейся жизнью постепенно приходит в себя

Знание – сила
5 советов тем, кто хочет создавать семейные традиции 5 советов тем, кто хочет создавать семейные традиции

Как создать особую атмосферу дома и напитать детей любовью?

Psychologies
Вызов простоты Вызов простоты

Как решение абстрактной задачи угрожает всей экономике?

Вокруг света
Актер и гражданин Актер и гражданин

Как Жан Габен воплотил дух Франции

Weekend
Наука в фантастике: эпизоды истории Наука в фантастике: эпизоды истории

Как появились ориентированные на подростков журналы, публикующие фантастику

Наука и жизнь
Богатые, жадные и одинокие: почему богачей не любят и что об этом говорит наука Богатые, жадные и одинокие: почему богачей не любят и что об этом говорит наука

Какие существуют исследования взаимосвязи нравственности и богатства

Forbes
«Компании снижают градус серьезности» «Компании снижают градус серьезности»

Как перекус новостями и жажда новых зрелищ меняют тренды в индустрии контента

РБК
Символы статуса: 5 вещей, которые почти невозможно получить, даже если вы баснословно богаты Символы статуса: 5 вещей, которые почти невозможно получить, даже если вы баснословно богаты

Кое-что в этой жизни так просто не покупается (и речь тут не о сантиментах)

Maxim
«Жены приходят и уходят, а мама — одна»: как и почему матери вредят взрослым сыновьям «Жены приходят и уходят, а мама — одна»: как и почему матери вредят взрослым сыновьям

Какие ошибки матери и сыновья совершают на пути сепарации?

Psychologies
Удивительная находка! Майя «благословляли» площадки для игры в мяч галлюциногенными растениями Удивительная находка! Майя «благословляли» площадки для игры в мяч галлюциногенными растениями

Археологи использовали ДНК, чтобы сделать «экстраординарное» открытие

ТехИнсайдер
Радикальная оптимистка: как Дуа Липа заставила весь мир танцевать под свой бит Радикальная оптимистка: как Дуа Липа заставила весь мир танцевать под свой бит

Кто такая Дуа Липа и чем примечателен её альбом Radical Optimism?

Правила жизни
«Настоящая ошибка — это молчание»: как раскрыть семейную тайну «Настоящая ошибка — это молчание»: как раскрыть семейную тайну

Как и когда открыть семейный секрет? Кому? Всегда ли и всем это знание полезно?

Psychologies
«Красные гиганты»: как баскетбол становился частью советской культуры и спорта «Красные гиганты»: как баскетбол становился частью советской культуры и спорта

Отрывок из книги «Красные гиганты. История советского баскетбола»

Forbes
Россиянки поделились историями о неадекватных свекровях: почему их так много? Россиянки поделились историями о неадекватных свекровях: почему их так много?

Как жить, если ваша родственница позволяет себе неприемлемые вещи

Psychologies
Надежда Зозуля: «Свёртывание крови – две стороны одной медали. С одной стороны – склонность к тромбозам, с другой – к не менее опасным кровотечениям» Надежда Зозуля: «Свёртывание крови – две стороны одной медали. С одной стороны – склонность к тромбозам, с другой – к не менее опасным кровотечениям»

Как понять, что есть проблемы со свертыванием крови? Что должно насторожить?

Здоровье
10 способов справиться со стрессом: только наука! 10 способов справиться со стрессом: только наука!

Научно обоснованные методы помогут вам защитить свое тело и мозг от стресса

ТехИнсайдер
Кристина Кузьмина: «Болезнь научила меня быть счастливой и радоваться мелочам» Кристина Кузьмина: «Болезнь научила меня быть счастливой и радоваться мелочам»

О жизни Кристины Кузьминой можно снять захватывающий фильм

Здоровье
Можно ли подружить кошку с собакой? Рассказываем, как правильно это сделать Можно ли подружить кошку с собакой? Рассказываем, как правильно это сделать

Неужели правда, что кот и пес — это заведомо враги?

ТехИнсайдер
Почему манга читается справа налево и какой в этом смысл Почему манга читается справа налево и какой в этом смысл

Что такое манга и как её читать?

Maxim
«Как умирали динозавры: Убийственный астероид и рождение нового мира» «Как умирали динозавры: Убийственный астероид и рождение нового мира»

Почему на Земле не началась вторая эра динозавров

N+1
Как навсегда избавиться от запаха в посудомоечной машине: советы профессиональных клинеров Как навсегда избавиться от запаха в посудомоечной машине: советы профессиональных клинеров

Что делать, чтобы в посудомоечной машине не появлялся неприятный запах?

VOICE
На пути к единой форме: нас ждет эра импакт-предпринимательства? На пути к единой форме: нас ждет эра импакт-предпринимательства?

Импакт-предпринимательство: лучшие аспекты социальных проектов и бизнеса

Позитивные изменения
Вопреки санкциям: почему акции золотодобытчиков дорожают вслед за золотом Вопреки санкциям: почему акции золотодобытчиков дорожают вслед за золотом

Акции российских золотодобытчиков подорожали вслед за ростом мировых цен

Forbes
Невидимый след потребления: чем опасен микропластик Невидимый след потребления: чем опасен микропластик

Как микропластик влияет на наше здоровье?

Psychologies
«Наша задача — не кости с места на место перенести, а достойно похоронить в братской могиле». Как в Московской области ищут останки пропавших без вести солдат «Наша задача — не кости с места на место перенести, а достойно похоронить в братской могиле». Как в Московской области ищут останки пропавших без вести солдат

Как поиск солдат из мальчишеского увлечения превратился в серьезную миссию

СНОБ
Как по нотам Как по нотам

Никола Мельников об источниках вдохновения и подходе к пониманию искусства

Men Today
Финтех на пороге квантового будущего: на что способны суперкомпьютеры и как они изменят нашу жизнь Финтех на пороге квантового будущего: на что способны суперкомпьютеры и как они изменят нашу жизнь

По мнению ученых, мы находимся на пороге Второй квантовой революции

ТехИнсайдер
От фактов к фейкам: как ложь и манипуляции угрожают научным исследованиям От фактов к фейкам: как ложь и манипуляции угрожают научным исследованиям

К чему могут привести манипуляции ученых

Forbes
Планета на песке Планета на песке

Попробуем разобраться в климатической истории планеты Дюна и химии меланжа

ТехИнсайдер
Российский турист побывал в КНДР и рассказал о 5 странностях, которые повергли его в шок Российский турист побывал в КНДР и рассказал о 5 странностях, которые повергли его в шок

Что вас точно удивит в Северной Корее

Maxim
Открыть в приложении