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

Человеческий фактор Человеческий фактор

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

Вокруг света
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
Самый энергичный свет Самый энергичный свет

История открытия и некоторые факты о гамма-лучах

Наука и жизнь
Сумасшедшие бактерии меняют главную догму биологии: они сами себе создают новые гены Сумасшедшие бактерии меняют главную догму биологии: они сами себе создают новые гены

Как показали ученые, бактерии могут создавать сами себе новые гены

ТехИнсайдер
Путешествия Путешествия

Поражающие воображение отели в самых удивительных уголках земного шара

Robb Report
Шекспир в окружении Шекспиров Шекспир в окружении Шекспиров

Кто был автором пьес, что традиционно приписываются актеру Уильяму Шекспиру?

Знание – сила
Опора на село Опора на село

Конфликт Павла Скоропадского и Симона Петлюры можно описать как социальный

Дилетант
Роман-катастрофа: 5 лучших книг для знакомства с жанром Роман-катастрофа: 5 лучших книг для знакомства с жанром

Как добавить в будни адреналина, но без лишнего риска: подборка книг

Maxim
Станислав Житарев: «Это была самая настоящая дружба длиною в 45 лет» Станислав Житарев: «Это была самая настоящая дружба длиною в 45 лет»

Коля действительно был добрым и открытым человеком

Коллекция. Караван историй
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
«Малым территориям — большое будущее» «Малым территориям — большое будущее»

Технология развития северных территорий через вовлечение местного сообщества

Позитивные изменения
Даниил Воробьев: «Женщина — это та драгоценная среда, в которой может проявляться мужчина» Даниил Воробьев: «Женщина — это та драгоценная среда, в которой может проявляться мужчина»

История-турбулентность Даниила Воробьева о взрослении и принятии себя

Maxim
«Министерство неджентльменских дел»: почему фильм Гая Ричи проигрывает Тарантино «Министерство неджентльменских дел»: почему фильм Гая Ричи проигрывает Тарантино

Как долгожданный экшен британского режиссера пытается развлекать зрителя

Forbes
Что вас ждет, если вы влюбились в пассивно-агрессивного человека Что вас ждет, если вы влюбились в пассивно-агрессивного человека

Что движет пассивным агрессором?

Psychologies
Туманное будущее: как фильм-катастрофа «Всемирный потоп» обманывает зрителей Туманное будущее: как фильм-катастрофа «Всемирный потоп» обманывает зрителей

Как история про апокалипсис оказывается тихой метафорой внутренних изменений

Forbes
Как проверить стартер на работоспособность в домашних условиях Как проверить стартер на работоспособность в домашних условиях

Все о проверке стартера: признаки неисправности и способы ремонта

РБК
Варикоз: причины, профилактика и методы лечения Варикоз: причины, профилактика и методы лечения

Что приводит к развитию варикоза, как избежать заболевания?

Psychologies
Туда, где есть всё Туда, где есть всё

Греция и Хорватия — преимущества и особенности этих направлений для плаваний

Y Magazine
Между Оруэллом и Хаксли: 10 отличных сериалов-антиутопий Между Оруэллом и Хаксли: 10 отличных сериалов-антиутопий

Сериалы-антиутопии: от инкубаторов для детей до религиозных конфликтов

Правила жизни
6 признаков того, что в вашем рационе слишком много соли 6 признаков того, что в вашем рационе слишком много соли

Определить, что вы едите слишком много соли, можно по нескольким признакам

ТехИнсайдер
Как добиться повышения на работе? Ни в коем случае не совершайте эти ошибки Как добиться повышения на работе? Ни в коем случае не совершайте эти ошибки

Как же показать себя во всей красе и добиться признания начальства?

ТехИнсайдер
Метод шифрования будущего Метод шифрования будущего

Что такое постквантовая криптография и от каких киберугроз она сможет защитить

РБК
Археологи обнаружили древнейшую стоянку людей на Иранском нагорье Археологи обнаружили древнейшую стоянку людей на Иранском нагорье

Группа ученых выявила древнейшую стоянку архаичных людей на Иранском нагорье

N+1
Вселенная Майнкрафта Вселенная Майнкрафта

В кубическом мире строят, копают и выживают более 130 миллионов игроков

Вокруг света
Вы поразитесь! У кашалотов есть сложный «фонетический алфавит»: видео Вы поразитесь! У кашалотов есть сложный «фонетический алфавит»: видео

Ученые обнаружили «строительные блоки языка китов»

ТехИнсайдер
Как быстро почистить затирку плитки: советы профессиональных клинеров Как быстро почистить затирку плитки: советы профессиональных клинеров

Как быстро почистить затирку плитки и как потом за ней ухаживать?

VOICE
«Почему мне не рассказали это в 13 лет?»: чему важно научить девочек сегодня «Почему мне не рассказали это в 13 лет?»: чему важно научить девочек сегодня

Какие знания нужны девочкам сегодня?

Forbes
Гениальное просто! Вот почему вам иногда нужно скучать: интересные факты Гениальное просто! Вот почему вам иногда нужно скучать: интересные факты

Как скука может нам помочь прикоснуться к своей истинной природе?

ТехИнсайдер
Нейроинтерфейс расшифровал речь сразу на двух языках Нейроинтерфейс расшифровал речь сразу на двух языках

Парализованный пациент смог общаться на испанском и английском

N+1
Братья «Не-Пушкины» Братья «Не-Пушкины»

Почему Александр Пушкин не писал о своих троюродных дедах — Сергее и Михаиле?

Знание – сила
Открыть в приложении