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

Евгеника: хотели как лучше... Евгеника: хотели как лучше...

Как евгеника стала синтезом теории вырождения, теории Дарвина и научного расизма

Знание – сила
Мария Михалкова-Кончаловская: «Каждый проходит через отречение, чтобы потом понять, насколько это ценный дар — семья» Мария Михалкова-Кончаловская: «Каждый проходит через отречение, чтобы потом понять, насколько это ценный дар — семья»

Неважно, кто твои предки. Параллели прослеживаются ведь в любой семье

Коллекция. Караван историй
Человеческий фактор Человеческий фактор

Как голландцы спасли свои каналы, а упавший самолет – целый район?

Вокруг света
Вы похудели и вес встал на одном месте? Вот почему это происходит: интересный факт! Вы похудели и вес встал на одном месте? Вот почему это происходит: интересный факт!

Почему у людей прекращается успешная потеря веса и вес выходит на плато

ТехИнсайдер
Возрастная забывчивость или болезнь Альцгеймера: когда пора бить тревогу — 5 примеров из жизни Возрастная забывчивость или болезнь Альцгеймера: когда пора бить тревогу — 5 примеров из жизни

Как понять, что пора беспокоиться об изменениях памяти ваших пожилых близких?

Psychologies
Ученым удалось воссоздать лицо неандертальской женщины возрастом 75 тыс. лет. Ее нашли в братской пещерной могиле Ученым удалось воссоздать лицо неандертальской женщины возрастом 75 тыс. лет. Ее нашли в братской пещерной могиле

Внешность людей и неандертальцев отличалась не так сильно, как думали ученые

Inc.
Бескишечные морские черви, нефть, газ и жизнь на других планетах Бескишечные морские черви, нефть, газ и жизнь на других планетах

За чей счет существуют классические погонофоры?

Наука и жизнь
РФ в БРИКС: «Мы нацелены на плотную работу с партнерами» РФ в БРИКС: «Мы нацелены на плотную работу с партнерами»

Ключевые аспекты работы БРИКС и участие РФ в этом объединении

ФедералПресс
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
«Все, что было его, – нынче ваше» «Все, что было его, – нынче ваше»

Место творчества Булата Окуджавы в современной литературе и литературоведении

Знание – сила
Мать русского футуризма. Как жил и писал поэт-авиатор Василий Каменский Мать русского футуризма. Как жил и писал поэт-авиатор Василий Каменский

Как поэт Василий Каменский стал одним из первых русских авиаторов

СНОБ
У Майка Омера вышел новый триллер «Странные игры». MAXIM публикует эксклюзивный отрывок! У Майка Омера вышел новый триллер «Странные игры». MAXIM публикует эксклюзивный отрывок!

Глава из нового романа Майка Омера, от которого волосы встают дыбом

Maxim
Среди старых находок с юга Испании обнаружили кость пещерного льва Среди старых находок с юга Испании обнаружили кость пещерного льва

Ученые исследовали фаунистические остатки, обнаруженные в пещере Каригуэла

N+1
«Любуйтесь, мамаша, вот он, ребенок ваш»: как женщины переживают акушерское насилие «Любуйтесь, мамаша, вот он, ребенок ваш»: как женщины переживают акушерское насилие

Книга казахской писательницы Алтынай Султан об опыте беременности

Forbes
Как выйти из токсичных отношений с самим собой Как выйти из токсичных отношений с самим собой

Почему мы ругаем себя? Чем отличается самоанализ и самокритика?

Psychologies
Неудачный дебют: почему «Чистильщик бассейнов» не дотягивает до большого кино Неудачный дебют: почему «Чистильщик бассейнов» не дотягивает до большого кино

Каким получился комедийный детектив о злостных коррупционерах

Forbes
Дружеское выгорание: 5 советов тем, у кого пропало желание общаться Дружеское выгорание: 5 советов тем, у кого пропало желание общаться

Почему мы выгораем от общения с друзьями, что с этим можно сделать?

Psychologies
Тёмное зазеркалье Тёмное зазеркалье

Рядом с нами может существовать параллельный зеркальный мир, названный теневым

Наука и жизнь
Не болей! Не болей!

5 признаков того, что твоя собака нездорова

Лиза
«Мудрость леса. В поисках материнского древа и таинственной связи всего живого» «Мудрость леса. В поисках материнского древа и таинственной связи всего живого»

Зачем пихтам и березам сотрудничать друг с другом

N+1
Воздушные порталы: где и как обновляют инфраструктуру аэропортов Воздушные порталы: где и как обновляют инфраструктуру аэропортов

Как правительство справляется с обновлением аэропортовой инфраструктуры?

ФедералПресс
Артериальную гипертензию у подростков связали с инфарктами и инсультами во взрослом возрасте Артериальную гипертензию у подростков связали с инфарктами и инсультами во взрослом возрасте

У подростков с артериальной гипертензией высок риск инфарктов во взрослой жизни

N+1
Проверка на прочность Проверка на прочность

Почему болезни суставов год от года молодеют?

Лиза
Что о вашем здоровье говорит пупок Что о вашем здоровье говорит пупок

Пупок может быть источником инфекций, кист и даже грыж

ТехИнсайдер
Приятель Гая Ричи, партнер Кортни Кокс и враг Дэдпула: все фильмы Дэвида Бекхэма Приятель Гая Ричи, партнер Кортни Кокс и враг Дэдпула: все фильмы Дэвида Бекхэма

Актерская карьера экс-футболиста Дэвида Бекхэма

Forbes
Малыш и море Малыш и море

Чек-лист и полезные советы, чтобы отпуск с ребенком на море был только в радость

Лиза
Мать и дитя: что делать, если твоя мама начала вести себя, как ребенок Мать и дитя: что делать, если твоя мама начала вести себя, как ребенок

Почему может произойти смена ролей в семье?

VOICE
Как дети и внуки давших «Клятву дарения» миллиардеров участвуют в благотворительности Как дети и внуки давших «Клятву дарения» миллиардеров участвуют в благотворительности

Кампания «Клятва дарения» приближается к критическому рубежу

Forbes
Себе — все, другим — ничего: почему эгоизм на самом деле полезен Себе — все, другим — ничего: почему эгоизм на самом деле полезен

Действительно ли эгоизм столь плохое качество, от которого стоит избавиться?

Psychologies
Картель против барреля: почему ОПЕК не смогла вернуть нефть по $100 Картель против барреля: почему ОПЕК не смогла вернуть нефть по $100

Почему ОПЕК и ОПЕК+ не удается диктовать условия на нефтяном рынке

Forbes
Открыть в приложении