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
Протектор шин: что это и как определить допустимый остаток, требования Протектор шин: что это и как определить допустимый остаток, требования

Все о глубине протектора шин: сколько считать нормой, какие допуски в ПДД

РБК
Как не запутаться в сетях Как не запутаться в сетях

Перед российской экономикой стоят нетривиальные задачи

Эксперт
Коллаж всего Коллаж всего

Иван Горшков: большой визуальный взрыв

Weekend
«Одним меньше стало» «Одним меньше стало»

Какую палитру мнений вызвала кончина главы советского правительства?

Дилетант
Бомбовоз на тяжелом топливе: чем удивляет редкий дизельный бомбардировщик Ер-2 Бомбовоз на тяжелом топливе: чем удивляет редкий дизельный бомбардировщик Ер-2

Самолет, первым отбомбившийся по Берлину в начале войны

ТехИнсайдер
Первый советский хакер остановил конвейер ВАЗа… и раскрыл заговор айтишников. Вот как это было Первый советский хакер остановил конвейер ВАЗа… и раскрыл заговор айтишников. Вот как это было

Амбициозный программист сначала стал преступником, затем национальным героем

ТехИнсайдер
Удивительный мир живой природы: как общаются между собой живые организмы Удивительный мир живой природы: как общаются между собой живые организмы

Самые необычные способы коммуникации из мира фауны

ТехИнсайдер
Ностальгия по великому: 4 самые крутые гидростройки СССР Ностальгия по великому: 4 самые крутые гидростройки СССР

Как решить, какую стройку считать великой, а какую нет?

ТехИнсайдер
Короткие встречи Короткие встречи

Как открыть мир для тех, кто заперт

Новый очаг
Александр Пиперски: «Нейросети взломали систему человеческой коммуникации» Александр Пиперски: «Нейросети взломали систему человеческой коммуникации»

Как мы будем обмениваться информацией в век новых технологий

РБК
Мнимый безумец Мнимый безумец

Томмазо Кампанелла — монах, философ, мятежник, король мира, поэт и маг

Дилетант
Что такое неглект и как с ним бороться Что такое неглект и как с ним бороться

Неглект: что такое пассивное насилие? Как оно проявляется?

РБК
Кубок «Америки»: мифы, времена и люди Кубок «Америки»: мифы, времена и люди

Как и благодаря кому Кубок «Америки» обрел свой уникальный статус?

Y Magazine
«Для русских интеллектуалов народ — это всегда „они“» «Для русских интеллектуалов народ — это всегда „они“»

Андрей Зорин о судьбе понятия «народ» в русской культуре

Weekend
Что такое «воздушный протеин»: еда будущего Что такое «воздушный протеин»: еда будущего

Что такое Solein? И почему его называют «воздушным протеином»?

ТехИнсайдер
Бемби против Годзиллы Бемби против Годзиллы

«Олененок»: триумф травмы

Weekend
Пикап Dongfeng DF6. Navara для российского рынка Пикап Dongfeng DF6. Navara для российского рынка

Китайский пикап Dongfeng DF6 будит самые приятные воспоминания

4x4 Club
Почему на Луне обязательно нужно построить детектор гравитационных волн Почему на Луне обязательно нужно построить детектор гравитационных волн

Зачем нужен детектор гравитационных волн на Луне?

ТехИнсайдер
«Дожить до 80 в позе мумии мало кому интересно». Интервью с эндокринологом Александром Дзидзарией «Дожить до 80 в позе мумии мало кому интересно». Интервью с эндокринологом Александром Дзидзарией

Александр Дзидзария — о том, каким должен быть уровень тестостерона в 45 лет

СНОБ
Сила света Сила света

Легкий и выразительный интерьер московской квартиры для семьи с двумя детьми

SALON-Interior
«Робею перед такими сочными красками»: почему мы боимся яркого макияжа «Робею перед такими сочными красками»: почему мы боимся яркого макияжа

Почему девушки порой стесняются даже красной помады?

Psychologies
Своим путём Своим путём

Разработка российского Стандарта отчетности об устойчивом развитии

Позитивные изменения
Крошки мои: зачем нужна текстурирующая пудра для волос? Крошки мои: зачем нужна текстурирующая пудра для волос?

Пудра для волос: придание объема, небрежная укладка или эффект сухого шампуня

Правила жизни
Вредно ли сидеть, положив ногу на ногу Вредно ли сидеть, положив ногу на ногу

Как вы обычно сидите в офисе? А за обеденным столом? В автобусе?

ТехИнсайдер
Как взбодриться без кофе: 6 научно доказанных способов (с примерами) Как взбодриться без кофе: 6 научно доказанных способов (с примерами)

Глубокое дыхание, холодная вода, берпи и другие альтернативные источники энергии

РБК
7 стратегий, чтобы пережить тяжелый день 7 стратегий, чтобы пережить тяжелый день

Техники поведения в трудной ситуации, которую нельзя изменить прямо сейчас

Psychologies
Выход за рамки: как российскому бизнесу повысить шансы на успех за рубежом Выход за рамки: как российскому бизнесу повысить шансы на успех за рубежом

Что необходимо учитывать, чтобы вывести бизнес за пределы страны

Forbes
Стиль твоей удачи Стиль твоей удачи

Минимализм или классика: самый подходящий интерьер для твоего знака зодиака

Лиза
Как Элишка Юнкова стала гонщицей во времена, когда женщины в тайне учились водить Как Элишка Юнкова стала гонщицей во времена, когда женщины в тайне учились водить

История женщины, которой покорялись самые сложные трассы

Forbes
Открыть в приложении