Вселенная как полыхающий лес
Академик Валерий Рубаков, получивший одну из высших наград в мире физики — Гамбургскую премию по теоретической физике, рассказывает о достижениях и проблемах современной космологии
Пятнадцатого июня было опубликовано решение о присуждении академику РАН, главному научному сотруднику Института ядерных исследований РАН Валерию Рубакову Гамбургской премии по теоретической физике 2020 года — одной из высших наград в мире физики. В преамбуле объявления о награде отмечается, что важнейшие продвижения в раскрытии загадки происхождения Вселенной, совершенные исследовательскими коллаборациями мира за последние несколько лет, во многом опирались на работы Валерия Анатольевича.
Как отмечено в решении Фонда Йоахима Герца о присуждении премии, Рубаков дал импульс поискам универсальной теории, соединяющей Стандартную модель и Общую теорию относительности. Дело в том, что при их согласовании возникают противоречия. Чтобы найти точки взаимодействия между этими двумя теориями и совместить их, необходимо было ввести дополнительные пространственные измерения. Валерий Рубаков вместе с Михаилом Шапошниковым предложил теоретическую модель с такими дополнительными измерениями примерно в то же время, когда была предложена теория струн, то есть в начале 1980-х годов.
В решении также отмечается, что в то время как в классической Стандартной модели элементарных частиц, описывающей все известные элементарные частицы и их фундаментальные взаимодействия — сильные, слабые взаимодействия и электромагнетизм, — протон рассматривается как стабильная частица, Валерий Рубаков подверг сомнению этот постулат и создал теорию катализа распада протона магнитными монополями, названную эффектом Каллана—Рубакова.
Он также предложил модель объяснения происхождения материи во Вселенной и исчезновения антиматерии. Нарушение барионного числа* в Стандартной модели при высоких температурах, на которое Рубаков вместе с Вадимом Кузьминым и Михаилом Шапошниковым указал в своих публикациях в середине 1980-х, дает важное теоретическое объяснение происхождения этого дисбаланса и до сих пор остается вопросом, вызывающим ожесточенные дискуссии и активные исследования.
Мы начали нашу беседу с Валерием Анатольевичем с просьбы пояснить: в чем суть этих его работ? почему, на его взгляд, они оказались так важны для современной теоретической физики?
«Мир на бране»
— В первом случае речь идет о том, что когда-то мы с моим коллегой Михаилом Шапошниковым придумали такую модель пространства-времени, в которой имеются дополнительные пространственные измерения. Но если у пространства больше трех измерений, то возникает вопрос, почему мы видим и ощущаем только три. И мы нашли объяснение: это может быть из-за того, что все наши частицы — фотоны, электроны и прочие — привязаны к трехмерной «поверхности», которая вложена в многомерное пространство. Наш трехмерный мир — это такая же поверхность в многомерном пространстве, как двухмерный листочек бумаги в нашем трехмерном мире. Если бы все наши частицы и мы были привязаны тем или иным способом к этой двухмерной поверхности, то они бы вдоль нее двигались и третье измерение мы бы с вами не видели. Такая идея сейчас называется термином «мир на бране»**. Эта идея в свое время не очень пошла, но потом в какой-то момент поняли, что эта идея может быть плодотворной, и ее начали в разных направлениях развивать. И сейчас она существует как элемент теоретической физики. В частности, в суперструнной теории. В физике элементарных частиц ее используют для того, чтобы объяснять некоторые аспекты физики элементарных частиц. Это, конечно, гипотетическая конструкция, но она живет и развивается уже в течение многих лет.
Если говорить о втором пункте, то это уже во многом подзабытая теоретическая картинка, согласно которой, если бы в природе существовали магнитные монополи, то есть частицы, в которых есть магнитный заряд, то при взаимодействии с протонами они бы приводили к очень быстрому распаду последних. Это как раз то, что называется монопольным катализом распада протонов. Когда-то эта теория была очень популярна. Но эти монополи до сих пор не удалось обнаружить. Поэтому сегодня это выглядит как теоретическая конструкция, которая своего экспериментального подтверждения пока не нашла. А может быть, монополи никогда и не будут найдены. Хотя они присутствуют в довольно широком классе теорий великого объединения.
Проблема с их экспериментальным обнаружением состоит в том, что эти монополи должны быть очень тяжелыми частицами, и из-за этого их невозможно получить на ускорителях. Если они когда-то и образовывались, то в очень ранней Вселенной. Тогда они должны время от времени попадать к нам на Землю из космоса, и их можно пытаться обнаружить. Но все попытки их обнаружить пока к успеху не привели.
— Тем не менее эта работа признана вашим достижением…
— Да, хотя ее экспериментальное подтверждение не получено, как теоретическая конструкция этот подход физическим сообществом принят.
Что касается третьего пункта, это тоже моя совместная работа с Шапошниковым и с Кузьминым. Мы показали, что при очень высоких температурах в ранней Вселенной уже в известных теориях физики элементарных частиц должно наблюдаться необычное явление: нарушение барионного числа. Барионное число — это то число, которое отличает, например, протоны и нейтроны от электронов. У протона барионное число один, у электрона — ноль. Именно из-за этого протон стабилен, не распадается. Время жизни протона гигантское. Его пытаются определить экспериментально, но до сих пор это не удалось.
Можно сказать, что в наше время во Вселенной действует закон сохранения барионного числа. А мы заявили и продемонстрировали, что при очень высоких температурах в ранней Вселенной это было не так: тогда процессы с нарушением барионного числа шли очень интенсивно. Почему это важно? Потому что это так или иначе приводит к асимметрии между веществом и антивеществом во Вселенной. Ее называют барионной асимметрией. Замечу, что Сахаров еще в 1967 году понял: чтобы такая асимметрия возникла, требуется нарушение барионного числа. В результате этой асимметрии наша Вселенная такая, какая она есть, и состоит только из вещества.
Интересно, что наши публикации, посвященные монопольному катализу распада протона и нарушению барионного числа при высоких температурах, были встречены сначала очень настороженно. Реакция была такая: этого не может быть, потому что этого не может быть никогда. Первая моя статья про монопольный катализ была отфутболена одним известным журналом.
— Нашим или зарубежным?
— Зарубежным. И аргументация рецензента была такая: «Этого не может быть». Точка. Но потом, слава богу, наш журнал «Письма в ЖЭТФ» (Журнал экспериментальной и теоретической физики. — «Эксперт») опубликовал статью, правда с некоторым запозданием, а через год вышла статья Каллана на эту тему. Моя статья вызвала широкое обсуждение, но в конце концов все согласились, что это все правильно. То же самое было и со второй работой, с работой по барионному числу. Тоже много было статей, в которых писали, что этого не может быть. А потом все-таки удалось физическое сообщество убедить: и мы, и наши коллеги написали еще несколько работ, в которых привели неубиваемые аргументы. И сейчас это общепринятый результат.
— Вы сказали, что первое из направлений, которое отмечено в премии, было связано с представлением о многомерности пространства. Это как-то согласуется с теорией струн, в которой тоже говорится о многомерности пространства?
— Это было еще до появления современной версии теории струн. Это был 1983 год, теория струн в ее современном понимании только-только начинала развиваться. Но в ней тоже появилось представление о мембране: о выделенной трехмерной «поверхности» в многомерном пространстве, к которой могут быть привязаны наши частицы, наши поля. Такая картинка подтвердилась и в теории струн. Некоторые конструкции в теории струн тоже называются браны. А наши результаты не были сформулированы в рамках теории струн, но они вполне согласуются с тем, что в теории струн потом обнаружилось.
Найти альтернативу
— В одном из интервью вы сказали, что сейчас вас в основном занимает вопрос, что может быть альтернативой инфляционной модели*** развития Вселенной. Это продолжает быть предметом ваших интересов?
— Продолжает. Там все оказалось очень сложно. С тех пор как мы с вами разговаривали****, стало много чего понятно. В частности, что все эти альтернативы — чрезвычайно нетривиальная, чрезвычайно сложная штука. Создать модель, в которой самосогласованным образом можно было бы организовать альтернативу инфляции, оказывается, очень сложно. Вроде бы мы с коллегами все-таки нащупали класс моделей, класс теорий, в которых это возможно. Но это все еще в работе.
— Почему вы считаете необходимым поиск альтернативы? Чем вас не устраивает инфляционная модель?
— Устраивает. Инфляционная модель прекрасна, это не вопрос. Но всегда хочется сравнить предсказания разных подходов и разных взглядов. И посмотреть, нельзя ли их отличить друг от друга на основании экспериментальных данных.
Это всегда так: когда какая-то теория еще не подтверждена экспериментально, хочется посмотреть, нельзя ли как-то иначе подойти к тому или иному вопросу. В данном случае к вопросу о том, как эволюционировала ранняя Вселенная. Может быть, на очень ранних, чрезвычайно необычных этапах своей эволюции Вселенная была устроена совсем не так, как мы с вами представляем себе сейчас. А для этого надо обязательно иметь спектр вариантов.
— Тем более что, как я понимаю, подтвердить ту или иную теорию очень сложно.
— Сложно, но не невозможно. Я надеюсь, что это дело не тысячелетий, а не очень отдаленного будущего. Инфляционная теория, на мой взгляд, будет однозначно подтверждена в тот момент, когда выяснится, что в природе были и есть реликтовые гравитационные волны огромной длины, которые возникли на очень ранней инфляционной стадии развития Вселенной. Длины этих волн — миллиарды световых лет. И соответственно, периоды колебаний — миллиарды лет. Тем не менее их проявление можно наблюдать в свойствах реликтового излучения. Если это будет обнаружено, то это будет прямое доказательство того, что инфляция действительно была в ранней Вселенной. Так что это не безнадежно.
— А имеющиеся установки LIGO и VIRGO, которые используются для поиска гравитационных волн, не подходят?
— Нет. Гравитационные волны, которые были обнаружены с помощью этих установок, порождены совсем недавно слиянием нейтронных звезд или черных дыр. Недавно по космологическим меркам. А я говорю о гравитационных волнах, которые рождены были на очень-очень ранних стадиях эволюции Вселенной и длины которых сравнимы с видимой частью Вселенной — это миллиарды световых лет. Это другие длины волн, совсем другие. Но они довольно большой амплитуды, поэтому есть надежда засечь их влияние на поляризацию реликтового излучения. И это в принципе можно увидеть. В очень далекой перспективе гравитационные волны с гораздо меньшей амплитудой, но с гораздо меньшей длиной волны, которые тоже могут подтвердить инфляционную модель, можно будет попытаться зарегистрировать в космических экспериментах. Это уже длины волн, сравнимые с размером орбиты Земли.
— С помощью спутников, расстояние между которыми сравнимо с такой длиной волны?
— Да. Уже есть проекты. Первые из этих проектов будут наблюдать гравитационные волны, которые появляются от слияния сверхмассивных черных дыр, а следующие могут попытаться выявить инфляционные гравитационные волны. Но это довольно далекая перспектива. Хотя жизнь идет, может быть, доживем.
Темные проблемы
— Какие проблемы космологии сейчас наиболее активно обсуждаются теоретическим сообществом?
— Скандальная ситуация, конечно, с темной материей. Скандальная в каком плане? Ее гравитационные свойства подтверждены уже в течение как минимум лет тридцати. Уже как минимум лет тридцать ясно, что в природе есть темная материя. Ее частицы электрически нейтральные, массивные, гравитационно взаимодействующие по Ньютону, точно так же, как наше вещество. Но никто не знает, что это такое. Это и теоретическая проблема, но в основном это экспериментальная проблема: экспериментаторы их ищут, но не могут найти. Время от времени появляются разговоры, что вроде какие-то сигналы обнаружены в экспериментах, но они в конце концов оказываются пустыми.
В течение уже очень долгого времени этот вопрос висит: ничего про них не известно, никакие свойства не известны, кроме того, что они массивны и гравитационно взаимодействуют так же, как обычное вещество. Задача обнаружения — экспериментальная в значительной степени, но теоретикам там тоже есть что делать.
— А нет попыток так же, как вы пытаетесь создать альтернативу инфляционной теории, создать какую-то альтернативную теорию этих явлений?
— Были попытки показать, что на очень больших расстояниях гравитационное взаимодействие не описывается теорией Ньютона и теорией Эйнштейна, показать, что слабые гравитационные поля модифицируются. Такая попытка была, и некоторые люди пытаются ее продвигать. Ведь как была открыта темная материя? Оказалось, что гравитационные силы в нашей и других галактиках гораздо больше, чем они должны были бы быть, если бы в галактике присутствовала только наша материя. А это означает, что масса галактики гораздо больше, чем масса тех звезд, которые в ней существуют. То же самое верно для скоплений галактик: гравитационные силы в них гораздо больше, чем гравитация, создаваемая обычным веществом (количество которого можно измерить независимо от гравитации). Поэтому был сделан вывод, что должна существовать какая-то еще дополнительная масса, которая не светится. Вот это и есть темная материя. Можно было предположить, что наши звезды создают гравитационное поле, но эта гравитация не такая, как сказал Ньютон. И если вы модифицируете теорию гравитации, можно попытаться объяснить наблюдаемое явление. Но я уверен, что это тупиковый путь. Слишком много мы про эту темную материю уже знаем. Она проявляется и в свойствах реликтового излучения, и в том, как образуются галактики, скопления галактик.
Есть еще одна проблема, но она выглядит как почти безнадежная. Это проблема темной энергии, представление о которой возникло из того факта, что Вселенная расширяется ускоренно. А исходя из существовавших на момент обнаружения этого эффекта представлений она должна была бы замедлять свой темп расширения. И это явление связывают с наличием субстанции, которую называют темной энергией, которая обладает совершенно необычными свойствами: в отличие от обычной и темной материи она не собирается в сгустки (галактики и их скопления), а наоборот, равномерно «разлита» по пространству; ее плотность не меняется при расширении Вселенной, а плотность энергии (массы) обычной и темной материи, естественно, убывает из-за увеличения объема; наконец, темная энергия в некотором смысле испытывает антигравитацию. Но что это за субстанция, никто не знает. Хотя, может быть, этот эффект — проявление космологической постоянной, которую еще Эйнштейн придумал в качестве дополнительного члена в своем уравнении гравитации, чтобы оно допускало пространственно однородное статическое решение, и необходимость в которой была неясна до обнаружения эффекта ускоренного расширения Вселенной.
— А не может получиться так, что в конце концов теоретическая физика, при всей красоте своих построений, упрется в то, что экспериментально какие-то вещи так и не удастся ни подтвердить, ни опровергнуть? Что это будут просто теоретические конструкции?
— Вы знаете, я бы не исключал такую возможность. Пока, правда, все, что теоретики напридумывали, можно было подтвердить или опровергнуть экспериментом. И это нормальный процесс развития науки. Но я не стал бы отвергать возможность, что мы с вами находимся где-то вблизи той границы, за которой какие-то вещи так и останутся терра инкогнита. Не хотелось бы, конечно, но такое не исключено. В частности, вопрос о темной энергии и космологической постоянной, который мы обсудили выше. Сегодня он кажется тупиковым.
— Вопрос, который часто возникает при обсуждении современных физических теорий людьми, не имеющими отношения к физике: а что было до первичного взрыва? Физики задумываются над этим?
— Конечно. И есть разные гипотезы. Но вообще, надо понимать, что слово «взрыв» — это неудачный перевод английского слова bang. По-английски это big bang. И это явление совсем не похоже на взрыв гранаты или снаряда, как представляется иногда при словах «Большой взрыв». Картина совершенно не такая.
В «начале времен» можно представить Вселенную огромной и однородной, в которой нет выделенных мест, где могла бы взорваться «граната». Во всей этой Вселенной гигантская температура и гигантские темпы расширения. Но расширение в разные стороны без центра: у Вселенной не было никакого центра, его нет и сейчас. Скорее такую Вселенную можно сравнить с картиной полыхающего во все стороны огромного леса, конца-края которому не видно. Но такое состояние, конечно, должно было как-то возникнуть. На этот счет существуют самые разные точки зрения. Инфляционная теория — один из вариантов объяснения: маленькая область пространства раздвинулась до огромных масштабов и везде стала одинаковой с огромной плотностью энергии. Потом эта энергия перешла в тепло. В других — тоже огромных — областях пространства этот процесс, возможно, закончился раньше или позже, чем у нас, а в некоторых инфляция идет до сих пор. Это одна возможность. А другая возможность — это то, чем я сейчас пытаюсь заниматься в поисках теории, альтернативной инфляционной. В этом представлении Вселенная была плоской, пустой и сжималась, а потом в какой-то момент начала расширяться. И вот тут-то лес загорелся и пошел гореть. В начале этапа сжатия он был разреженный, пустой, и это, скорее, была поляна с редкими деревьями, чем лес. А при сжатии деревья приблизились друг к другу, этот лес сжался, вырос и пошел гореть. Вот как-то так. Это другая возможность.
— Удивительный образ. А что значит плоская Вселенная? Что она без пространственных искривлений?
— Да. Без пространственной кривизны. Сейчас известно, что пространственная кривизна у Вселенной очень маленькая, это экспериментальный факт. Что наше пространство в хорошей степени точности евклидово. А могло быть неевклидово, могла быть трехмерная сфера, например. Это экспериментальный факт, получен на основе изучения реликтового излучения. С очень хорошей степенью точности, надо сказать.
Мода, вера, фантазия
— У нас недавно издан перевод книги известного английского математика и физика Роджера Пенроуза «Мода, вера, фантазия и новая физика Вселенной», где он не без иронии утверждает, что такие ненаучные явления, как мода, вера и фантазия, характерны в чем-то и для теоретической физики. Например, выбор направлений исследований может быть связан с модой. Влияние моды на физику он рассматривает на примере теории струн. Влияние веры — на примере квантовой механики. А влияние фантазии на физические теории — на примере происхождения Вселенной. На ваш взгляд, эти явления в какой-то степени оказывают влияние на людей, которые занимаются теоретической физикой? Например, он говорит, что если вы хотите заниматься чемто, что не укладывается в модное направление, то подчас очень сложно получить на это грант. И это становится препятствием для развития каких-то альтернативных направлений в науке.
— Вы знаете, отчасти это верно. Особенно это в Америке заметно. Пенроуз — англичанин, наверное, и в Англии тоже. Действительно мода там очень влияет на то, чем люди занимаются. Поэтому нередко оказывается выгодно заниматься именно модным направлением. У вас и гранты, а если вы молодой человек, то и больше шансов получить постоянную работу. Но это, конечно, большой минус для развития науки, потому что самое интересное возникает совсем не обязательно в тех направлениях, которые в данный момент модны, на мой взгляд.
Я всегда старался подальше держаться от моды, не то чтобы специально, но так получалось. Мне казалось, что туда, где уже большое число сильных людей пашут, особенно и соваться незачем, потому что там все перепашут и без меня. И наоборот, было интересно и сейчас интересно заниматься теми направлениями, которые в данный момент модными не считаются. Поэтому я согласен с тем, что есть такой эффект, эффект моды. В России это меньше заметно.
— А почему меньше?
— Не знаю, менталитет, наверное. А может быть, это связано с тем, что у нас в науке нет такой зверской, жесточайшей конкуренции, как в Америке и в Европе. Сильнейшие люди вылетают из науки, не могут найти себе места просто потому, что конкуренция очень жесткая. У нас так исторически сложилось, что такой жесткой конкуренции, чтобы рвать друг другу глотки, пока нет.
Что касается такого явления, как вера, то для меня это слово, мало относящееся вообще к науке и теоретической физике. А фантазия, конечно, великая вещь. Когда вы пытаетесь продвинуться за грань неизвестного, конечно, требуются и фантазия, и интуиция.
— Когда Пенроуз говорит о вере, он имеет в виду, что это убеждение, основанное на авторитете. И что в некоторых направлениях науки авторитет часто довлеет над исследователями и мешает им искать другие направления.
— Такое действительно бывает, когда нечто сказанное большим авторитетом принимается за истину в последней инстанции. В частности, трудности, с которыми я столкнулся в свое время, когда люди не очень воспринимали наши результаты, были связаны с тем, что некоторые авторитетные люди заявляли, что этого не может быть. Поэтому пробивались наши результаты достаточно сложно. Да, такой эффект имеет место. Конечно, это нормально, когда прислушиваются к авторитетному человеку, но, с другой стороны, к любому мнению надо относиться с долей скепсиса. Безоговорочно нельзя доверять никому. Ученый должен постоянно помнить, что все надо проверять. Я своих студентов и аспирантов учу, что, прежде чем использовать формулы, которые написаны в чужой статье, надо их проверить. Даже если это статья известного человека и оснований сомневаться в том, что он правильную формулу написал, нет. Все равно проверь.
The place — a place
— Как бы вы оценили состояние теоретической физики в настоящее время в России?
— Я не могу говорить про всю теоретическую физику. Теоретическая физика большая, и, может быть, в разных областях разная ситуация. Но если говорить про мою область, то я бы так сказал: в Советском Союзе, если сравнивать, теоретическая физика была экстра-класса. Как говорил Нобелевский лауреат Дэвид Гросс, по-английски это хорошо звучит: Москва (он говорил про Москву, но это относилось не только к Москве) в советское время была the place, то есть тем самым местом, куда надо обязательно ехать. А сейчас это a place, одно из мест. Если на русский перевести, то в Советском Союзе Москва была именно тем местом, куда надо стремиться и где находится очень сильное ядро физиков-теоретиков. А сейчас это одно из мест, где находятся физики-теоретики, но это не экстраординарное место. Это оценка не моя, но я с ней соглашусь. Сейчас у нас есть действительно очень сильные и школы, и теоретики и в Москве, и в Петербурге, и в Новосибирске, и под Москвой, и в Томске, много где. Но того экстраординарного уровня, который был в восьмидесятые годы, а я его застал, сейчас, конечно, нет. По понятным причинам. В девяностые годы, конечно, очень многие разъехались. Из-за этого несколько снизился уровень.
— А сейчас продолжают разъезжаться?
— Меньше. В девяностые был массовый отъезд. Сейчас кто-то из ребят молодых покидает страну. Кто-то остается. Существует некое динамическое равновесие. Нет такого, что колодец иссох, и всё.
*Барионное число — характеристика частиц (и системы частиц), вытекающая из установленного опытным путем закона сохранения «тяжелых» частиц — барионов (в частности, протонов и нейтронов): во всех процессах разность общего числа барионов и общего числа антибарионов должна сохраняться.
**Брана (от слова «мембрана») в теории струн — гипотетический фундаментальный многомерный физический объект размерности меньшей, чем размерность пространства, в котором он находится.
***Инфляционная модель Вселенной — космологическая теория о состоянии расширения Вселенной на раннем этапе ее эволюции. В отличие от стандартной модели горячей Вселенной предполагает ускоренный период расширения Вселенной на раннем этапе, который заканчивается разогревом до температуры выше 1028 К.
****См. «Вселенная без инвариантов», https://stimul.online/articles/interview/vselennaya-bez-invariantov/?sphrase_id=12567
Интервью публикуется параллельно в журналах «Эксперт» и «Стимул»
Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl