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

Расовая теория: из огня да в полымя Расовая теория: из огня да в полымя

Почему теория Дарвина так вдохновила сторонников неравенства рас?

Знание – сила
Девять технологий, которые не оправдали надежд Девять технологий, которые не оправдали надежд

Могли ли эти технологии перевернуть мир или на них возложили напрасные ожидания?

Монокль
Человеческий фактор Человеческий фактор

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

Вокруг света
Не хочу, не буду!.. Не хочу, не буду!..

Как приучить детей к здоровой еде? Руководство для заботливых родителей

Лиза
Лунная гонка. История поражений и побед Лунная гонка. История поражений и побед

Самое время вспомнить основные вехи нелегкого пути изучения нашего спутника

Наука и техника
Что такое «голое увольнение»: почему зумеры бурно празднуют уход с работы Что такое «голое увольнение»: почему зумеры бурно празднуют уход с работы

Почему зумеры воспринимают увольнение как событие, которое приносит радость?

Psychologies
Кто остановит испанского слизня Кто остановит испанского слизня

Какие методы борьбы существуют против инвазивного вредителя — испанского слизня

Наука
Большая игра: как гейминг все больше становится инструментом госполитики Большая игра: как гейминг все больше становится инструментом госполитики

Как видеоигры становятся инструментом пропаганды и психологической войны?

Forbes
Эволюция смайликов: как выглядели первые эмодзи Эволюция смайликов: как выглядели первые эмодзи

Хотя кажется, что эмодзи является современной функцией, это на самом деле не так

ТехИнсайдер
Эмоциональная уязвимость: кому она свойственна и как с ней справиться Эмоциональная уязвимость: кому она свойственна и как с ней справиться

Что отличает эмоциональную уязвимость, почему она развивается не у всех?

Psychologies
Почему Сеул стал столицей Южной Кореи: отрывок из книги Андрея Ланькова Почему Сеул стал столицей Южной Кореи: отрывок из книги Андрея Ланькова

Отрывок из сборника очерков об истории, культуре и бытовой жизни Южной Кореи

СНОБ
О чем на самом деле мужчины и женщины думают во время секса: 3 частые фантазии О чем на самом деле мужчины и женщины думают во время секса: 3 частые фантазии

Почему в сексе мы пускаемся в разнообразное фантазирование?

Psychologies
Большинство людей не знают, что у них есть апноэ: что это такое? Большинство людей не знают, что у них есть апноэ: что это такое?

Как узнать, действительно ли ваш храп вредит вашему здоровью?

ТехИнсайдер
«Мегалополис»: что Фрэнсис Форд Коппола думает о Римской империи и будущем Америки «Мегалополис»: что Фрэнсис Форд Коппола думает о Римской империи и будущем Америки

«Мегалополис»: каким получился новый фильм классика кинематографа

Forbes
К вершине наслаждений К вершине наслаждений

Как и когда мы переживаем оргазм? И что нам мешает?

Psychologies
Избавляемся от пятен и запаха: 3 лайфхака, как стирать стельки Избавляемся от пятен и запаха: 3 лайфхака, как стирать стельки

Как ухаживать за стельками в обуви?

ТехИнсайдер
В каком виски нет красителей? В каком виски нет красителей?

Зачем в виски добавляют красители и другие добавки?

Maxim
10 цитат Жан-Поля Сартра, которые укажут, где притаился смысл жизни 10 цитат Жан-Поля Сартра, которые укажут, где притаился смысл жизни

Французский философ и писатель был одной из главных фигур экзистенциализма

Psychologies
Роль керамического искусства в интерьере. Художник Никита Макаров — о том, как сформировать коллекцию Роль керамического искусства в интерьере. Художник Никита Макаров — о том, как сформировать коллекцию

Художник Никита Макаров — как прикладное искусство преображает повседневность

СНОБ
Рейтинг для чемпионов Рейтинг для чемпионов

Рейтинг топовых российских спортсменов, чьи выступления не теряют актуальности

Men Today
Путешествие с друзьями: 10 советов Путешествие с друзьями: 10 советов

Рекомендации для тех, кто хочет взять с собой хвостатых в отпуск

Новый очаг
От «Хранителей» до «Ходячих мертвецов»: 15 лучших сериалов по комиксам От «Хранителей» до «Ходячих мертвецов»: 15 лучших сериалов по комиксам

Рейтинг сериалов по комиксам за все время их существования

Правила жизни
Астрономы впервые нашли массивные магнитные звезды за пределами Млечного Пути Астрономы впервые нашли массивные магнитные звезды за пределами Млечного Пути

Впервые обнаружены магнитные массивные звезды за пределами нашей галактики

N+1
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
Как по нотам Как по нотам

Никола Мельников об источниках вдохновения и подходе к пониманию искусства

Men Today
Рассказ о трех олигархах: как главы Samsung, Hyundai и Lotte вывели Корею из нищеты Рассказ о трех олигархах: как главы Samsung, Hyundai и Lotte вывели Корею из нищеты

Отрывке из книги корееведа Андрея Ланькова «Не только кимчхи»

Forbes
Искателям приключений Искателям приключений

Знакомимся с Kavi 9 — одной из моделей молодой турецкой верфи Kavi Yachts

Y Magazine
Ах, Самара-городок Ах, Самара-городок

Визитные карточки Самары, которые изменят твои представления о ней

Лиза
4 упражнения, которые помогут перезагрузить нервную систему и быстро снять тревогу 4 упражнения, которые помогут перезагрузить нервную систему и быстро снять тревогу

Что же делать, если волна тревоги нахлынула внезапно и нужно быстро успокоиться?

Psychologies
8 вещей, которые надо сделать на кухне перед тем, как ты уедешь в отпуск 8 вещей, которые надо сделать на кухне перед тем, как ты уедешь в отпуск

Подготовительная работа на кухне перед отпуском: что нужно учесть?

VOICE
Открыть в приложении