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

Политическое крещение Политическое крещение

Что побудило закоренелого язычника и развратника перейти в христианскую веру?

Дилетант
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
Человеческий фактор Человеческий фактор

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

Вокруг света
Додекаэдры Древнего Рима Додекаэдры Древнего Рима

Археологов давно волнуют странные предметы, попадающиеся при раскопках в Риме

Наука и жизнь
6 мифов о сексе, которые подрывают отношения 6 мифов о сексе, которые подрывают отношения

Самые популярные мифы, касающиеся секса

Psychologies
Когда пить кофе: 7 вопросов о бодрящем напитке Когда пить кофе: 7 вопросов о бодрящем напитке

Что нужно знать, чтобы пить правильный кофе?

Psychologies
От Байкала до Амура, из Империи в Федерацию От Байкала до Амура, из Империи в Федерацию

Байкало-Амурская магистраль: важная иллюстрация в книге «История СССР, России»

Знание – сила
Зерно раскладывают на фракции Зерно раскладывают на фракции

Компании увеличивают производство и экспорт продуктов глубокой переработки зерна

Агроинвестор
Максим Севриновский: «Я сомневаюсь до конца» Максим Севриновский: «Я сомневаюсь до конца»

Исполнитель главных ролей о том, из чего состоит актерская профессия

Монокль
Екатерина Стулова: «Если меня любят, то я готова прыгать через костер, бегать по снегу» Екатерина Стулова: «Если меня любят, то я готова прыгать через костер, бегать по снегу»

Для меня все проекты являются самыми психологически и физически затратными

Коллекция. Караван историй
Российское производство: что из себя представляет новая операционная система kvadraOS Российское производство: что из себя представляет новая операционная система kvadraOS

В Единый реестр российских программ была внесена новая операционная система

ТехИнсайдер
Осмелиться быть собой: 5 упражнений Осмелиться быть собой: 5 упражнений

Как вновь обрести свою идентичность и начать собственный путь

Psychologies
Истории, стоящие за портретами. Кем были музы и натурщицы Бориса Кустодиева Истории, стоящие за портретами. Кем были музы и натурщицы Бориса Кустодиева

Глава из книги «Картинные девушки» — о музах и художниках

СНОБ
Как образ жизни влияет на качество секса: 3 ключевых фактора Как образ жизни влияет на качество секса: 3 ключевых фактора

Как изменения в образе жизни могут повлиять на сексуальную жизнь?

Psychologies
Сыграли в ящера: как японские и голливудские режиссеры снимают кино о Годзилле Сыграли в ящера: как японские и голливудские режиссеры снимают кино о Годзилле

Главные вехи в истории гигантского киноящера Годзиллы

Правила жизни
Таблетки в сторону Таблетки в сторону

Как распознать аллергию на лекарства и снизить риск ее появления

Лиза
«Как живые: Двуногие змеи, акулы-зомби и другие исчезнувшие животные» «Как живые: Двуногие змеи, акулы-зомби и другие исчезнувшие животные»

Какой была переходная форма от рыбы к четвероногому

N+1
Режиссер Халед Уануки: Популярность Чехова в Алжире вполне соответствует его популярности в России Режиссер Халед Уануки: Популярность Чехова в Алжире вполне соответствует его популярности в России

Халед Уануки о его взглядах на русскую литературу и впечатлениях от фестиваля

СНОБ
Все о бронеавтомобиле «Тигр»: история создания и характеристики Все о бронеавтомобиле «Тигр»: история создания и характеристики

Что представляет бронеавтомобиль «Тигр»

РБК
Татуаж ареол: как преобразить грудь с помощью перманентного макияжа Татуаж ареол: как преобразить грудь с помощью перманентного макияжа

Как с помощью перманентного макияжа можно преобразить ареолы груди

VOICE
Jeep Avenger. Маленький бриллиант в короне Jeep Jeep Avenger. Маленький бриллиант в короне Jeep

У Jeep всегда были проблемы с компактными моделями. Изменит ли ситуацию Avenger?

4x4 Club
Городские реки оказались мощным источником парниковых выбросов Городские реки оказались мощным источником парниковых выбросов

За год из городских рек в атмосферу поступает ~80 млн. тонн углекислого газа

N+1
Красный, как помидор: почему во время тренировки краснеет лицо и как это можно предотвратить Красный, как помидор: почему во время тренировки краснеет лицо и как это можно предотвратить

Почему люди краснеют во время занятий спортом?

ТехИнсайдер
Все популярные фильмы по компьютерным играм от худшего к лучшему Все популярные фильмы по компьютерным играм от худшего к лучшему

Если бесконечно долго снимать ерунду, рано или поздно выйдет что-то хорошее

Maxim
Дети Солнца Дети Солнца

Что посадить на открытом месте садового участка, а что – в тени

Лиза
«Грибная убийца»: австралийка отравила родственников бывшего мужа на семейном ужине «Грибная убийца»: австралийка отравила родственников бывшего мужа на семейном ужине

Эрин Паттерсон устроила ужин, через неделю после которого родственники умерли

Psychologies
«Писать грустные песни — само по себе было протестом» «Писать грустные песни — само по себе было протестом»

Как Булат Окуджава сделал голос частного человека общественным явлением

Weekend
Стареет ли тормозная жидкость – и как понять, что ее пора менять Стареет ли тормозная жидкость – и как понять, что ее пора менять

В чем недостатки старой тормозной жидкости?

ТехИнсайдер
Эмбрион человека при развитии постоянно нарушает симметрию Эмбрион человека при развитии постоянно нарушает симметрию

«Жизнь состоит из постоянного нарушения симметрии»

ТехИнсайдер
Всё что вам нужно знать об обновлённом Skoda Kodiaq Всё что вам нужно знать об обновлённом Skoda Kodiaq

Что изменилось в новом поколении Skoda Kodiaq?

4x4 Club
Открыть в приложении