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
Почему косатки атакуют лодки по всему миру — нашлось объяснение Почему косатки атакуют лодки по всему миру — нашлось объяснение

Оказалось, что юные косатки нападают на лодки просто ради забавы

Maxim
Человеческий фактор Человеческий фактор

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

Вокруг света
Из светских салонов — в политику: как женщины решали социальные проблемы в XIX веке Из светских салонов — в политику: как женщины решали социальные проблемы в XIX веке

Как идеи, родившиеся в светском салоне, превратились в социальный эксперимент

Forbes
Supernovae: «Вышли мы все из сверхновых» Supernovae: «Вышли мы все из сверхновых»

«Если звезды зажигают – значит – это кому-нибудь нужно?» Но как они зажигаются?

Знание – сила
Ребенок за штурвалом: страшная катастрофа Airbus A310 авиакомпании «Аэрофлот», которая унесла жизни 75 человек Ребенок за штурвалом: страшная катастрофа Airbus A310 авиакомпании «Аэрофлот», которая унесла жизни 75 человек

Эта авивкатастрофа заняла первое место в рейтинге «самых нелепых»

ТехИнсайдер
10 фактов об Эдгаре Алане По 10 фактов об Эдгаре Алане По

Самые необычные факты из жизни мистика Эдгара Алана По

Maxim
Татуировки повышают риск развития рака на 21% Татуировки повышают риск развития рака на 21%

Нанесение татуировки увеличивает риск развития лимфомы на 21%

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

Китайский пикап Dongfeng DF6 будит самые приятные воспоминания

4x4 Club
8 вопросов бизнес-психолога, которые помогут найти свой путь 8 вопросов бизнес-психолога, которые помогут найти свой путь

Как понять, чем вы хотите заниматься и какая должность удовлетворит ваши амбиции

Psychologies
Нужно ли мариновать мясо для шашлыка с точки зрения науки Нужно ли мариновать мясо для шашлыка с точки зрения науки

Правильный выбор мяса для шашлыка позволяет обойтись без маринада

Maxim
10 способов сохранить и укрепить отношения 10 способов сохранить и укрепить отношения

Как сохранить отношения на этапе, когда начинаются совместные будни?

Psychologies
«Грохот», «Триллер», «Война» и «Резня»: величайшие противостояния в истории бокса «Грохот», «Триллер», «Война» и «Резня»: величайшие противостояния в истории бокса

Самые значимые бои в истории мирового бокса

Forbes
Лайфхак на лето! Вот как фрукты помогают избегать обезвоживания: простой совет Лайфхак на лето! Вот как фрукты помогают избегать обезвоживания: простой совет

Как фрукты и овощи могут удовлетворить потребность в жидкости

ТехИнсайдер
Важный нюанс, из-за которого у вас плохо получаются снимки с зумом Важный нюанс, из-за которого у вас плохо получаются снимки с зумом

Съемка с оптическим увеличением только на первый взгляд кажется простой

CHIP
Среди старых находок с юга Испании обнаружили кость пещерного льва Среди старых находок с юга Испании обнаружили кость пещерного льва

Ученые исследовали фаунистические остатки, обнаруженные в пещере Каригуэла

N+1
Мощный и быстрый «Буревестник»: как устроены ядерные двигатели для ракет Мощный и быстрый «Буревестник»: как устроены ядерные двигатели для ракет

Как работает ракета «Буревестник» с ядерным воздушно-реактивным двигателем?

ТехИнсайдер
Генетики пересчитали время смешения предков современных людей и неандертальцев Генетики пересчитали время смешения предков современных людей и неандертальцев

Когда произошло смешение предков современных людей с неандертальцами?

N+1
Душа — в теле Душа — в теле

Театр Crave — заведение таинственное, притягательное и необычное

Men Today
Литературные персонажи, которые бесят всех до чертиков Литературные персонажи, которые бесят всех до чертиков

11 примеров, когда герой книги раздражает настолько, что хочется бросить чтение

Maxim
12 вещей, которые нельзя вытирать бумажными полотенцами: мнение профессиональных клинеров 12 вещей, которые нельзя вытирать бумажными полотенцами: мнение профессиональных клинеров

Стоят ли бумажные полотенца денег, которые мы за них платим?

VOICE
Мария Михалкова-Кончаловская: «Каждый проходит через отречение, чтобы потом понять, насколько это ценный дар — семья» Мария Михалкова-Кончаловская: «Каждый проходит через отречение, чтобы потом понять, насколько это ценный дар — семья»

Неважно, кто твои предки. Параллели прослеживаются ведь в любой семье

Коллекция. Караван историй
На наконечниках стрел эпохи неолита нашли остатки человеческого белка На наконечниках стрел эпохи неолита нашли остатки человеческого белка

Ученые исследовали каменные наконечники стрел возрастом около 8-9 тысяч лет

N+1
5 «вредных» напитков, которые полезны для здоровья 5 «вредных» напитков, которые полезны для здоровья

Соки, кофе и какао — чем полезны эти «вредные» напитки?

ТехИнсайдер
Воздушные порталы: где и как обновляют инфраструктуру аэропортов Воздушные порталы: где и как обновляют инфраструктуру аэропортов

Как правительство справляется с обновлением аэропортовой инфраструктуры?

ФедералПресс
«Как умирали динозавры: Убийственный астероид и рождение нового мира» «Как умирали динозавры: Убийственный астероид и рождение нового мира»

Почему на Земле не началась вторая эра динозавров

N+1
Ученые назвали суперфуд для укрепления костей: ни за что не догадаетесь Ученые назвали суперфуд для укрепления костей: ни за что не догадаетесь

Как чернослив влияет на здоровье костей?

ТехИнсайдер
Путь Лиланда Стэнфорда от «барона-разбойника» к символу креативной экономики Путь Лиланда Стэнфорда от «барона-разбойника» к символу креативной экономики

Как лихой «барон» потратил свой капитал на создание культурного наследия

Forbes
Чем накормить гения Чем накормить гения

Как помочь нашим детям хорошо сдать экзамены?

Лиза
Тру-крайм по-русски: как Леонид Каневский, бессменный ведущий передачи «Следствие вели…», стал культовой фигурой для зумеров Тру-крайм по-русски: как Леонид Каневский, бессменный ведущий передачи «Следствие вели…», стал культовой фигурой для зумеров

В чем феномен популярности передачи «Следствие вели…»?

Правила жизни
Открыть в приложении