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

«Пустые клеточки» таблицы Менделеева «Пустые клеточки» таблицы Менделеева

Откуда берутся новые химические элементы? Зачем расширять таблицу Менделеева?

Наука и жизнь
Путешествие с друзьями: 10 советов Путешествие с друзьями: 10 советов

Рекомендации для тех, кто хочет взять с собой хвостатых в отпуск

Новый очаг
Знаки природы, сигнатуры судьбы Знаки природы, сигнатуры судьбы

Всё в Природе – учение о сигнатурах, ставшее основой многих эзотерических теорий

Знание – сила
Катерина Киндрук: Исторический момент ставит перед бизнесом нестандартные задачи Катерина Киндрук: Исторический момент ставит перед бизнесом нестандартные задачи

Какими качествами нужно обладать эффективному топ-менеджеру?

СНОБ
Зажечь плазму для термояда и сделать зеркало для рентгена Зажечь плазму для термояда и сделать зеркало для рентгена

Академик Григорий Денисов — чем занимаются физики в ИПФ РАН Нижнего Новгорода

Наука и жизнь
«Для русских интеллектуалов народ — это всегда „они“» «Для русских интеллектуалов народ — это всегда „они“»

Андрей Зорин о судьбе понятия «народ» в русской культуре

Weekend
6 книг, которые помогут «прокачать» мозг 6 книг, которые помогут «прокачать» мозг

Книги, которые помогут расширить представление о природе сознания

Psychologies
Как определить забитый катализатор не снимая его. Признаки Как определить забитый катализатор не снимая его. Признаки

Все о проверке катализатора: признаки неисправности и способы ремонта

РБК
Эмоциональная анестезия: как перестать выбирать холодных партнеров Эмоциональная анестезия: как перестать выбирать холодных партнеров

Что такое «химия» отвержения и эмоциональной депривации? Как она работает?

Psychologies
Лучше, чем сериалы: 5 книг, которые авторы пишут по частям Лучше, чем сериалы: 5 книг, которые авторы пишут по частям

Книги, которые представляют собой часть большой серии

ТехИнсайдер
«Великий мертвец» «Великий мертвец»

Неужели шекспировские пьесы сочинил «великий мертвец» — Кристофер Марло?

Знание – сила
Человек с большой цифры Человек с большой цифры

Как технологии лишают нас сна, памяти, эмпатии и отучают знакомиться

Men Today
Кто так строит: как «Дом-2» стал самым известным долгостроем страны Кто так строит: как «Дом-2» стал самым известным долгостроем страны

Самые громкие скандалы, самые важные имена и самые значимые вехи телепроекта

Правила жизни
Психологическая поддержка для мужчин: как выбрать специалиста — чек-лист Психологическая поддержка для мужчин: как выбрать специалиста — чек-лист

Как мужчине как не ошибиться с выбором специалиста и как оценить терапию?

Psychologies
Как получить предупреждение вместо штрафа. Инструкция для водителей Как получить предупреждение вместо штрафа. Инструкция для водителей

Когда можно отделаться беседой с сотрудником ГИБДД и что нужно говорить

РБК
Психологический тест: что встало у вас на пути к успеху? Выберите бабочку и узнайте ответ Психологический тест: что встало у вас на пути к успеху? Выберите бабочку и узнайте ответ

Что делать, если уже очень долгое время не можете достичь желаемого?

ТехИнсайдер
«Пища для ума»: 10 продуктов, необходимых для здоровья мозга «Пища для ума»: 10 продуктов, необходимых для здоровья мозга

Продукты, которые помогут улучшить память и работу мозга в целом

ТехИнсайдер
Наука в фантастике: эпизоды истории Наука в фантастике: эпизоды истории

Утопия Богданова не стала образцом для общества, но его романы перечитывали

Наука и жизнь
6 книг, которые помогут увеличить ваш социальный капитал 6 книг, которые помогут увеличить ваш социальный капитал

Подборка книг для исследования ваших социальных связей и развития эмпатии

Psychologies
Сумасшедший кондитер: как Питер Людвиг сначала собрал коллекцию, а потом раздал ее Сумасшедший кондитер: как Питер Людвиг сначала собрал коллекцию, а потом раздал ее

Коллекционер Питер Людвиг, часть коллекции которого подарена Русскому музею

Forbes
К вершине наслаждений К вершине наслаждений

Как и когда мы переживаем оргазм? И что нам мешает?

Psychologies
Почему котам и собакам нравится, когда их гладят? Ведь в дикой природе этого нет Почему котам и собакам нравится, когда их гладят? Ведь в дикой природе этого нет

Почему животным нравится, когда хозяева их гладят?

ТехИнсайдер
7 фильмов о великих художниках 7 фильмов о великих художниках

Выдающиеся фильмы о живописцах, от эпохи Возрождения до XX века

СНОБ
Самые известные пираты в истории Самые известные пираты в истории

Пираты, лихой судьбе которых позавидует сам капитан Джек Воробей!

Maxim
7 признаков того, что пора менять воздушный фильтр: знаете ли вы их 7 признаков того, что пора менять воздушный фильтр: знаете ли вы их

Своевременно менять воздушный фильтр даже важнее, чем масляный

ТехИнсайдер
Что скрывает черная повязка на правом глазу Кутузова? Все это время нас вводили в заблуждение Что скрывает черная повязка на правом глазу Кутузова? Все это время нас вводили в заблуждение

Мы разобрались, откуда растут ноги у исторической ошибки глаза Кутузова

ТехИнсайдер
Все на себе. Когда в семье все упрекают друг друга Все на себе. Когда в семье все упрекают друг друга

Как быть, если в семье все недовольны друг другом? Как реагировать на обиды?

СНОБ
Почему в самолете при взлете и посадке запрещено опускать спинки кресел Почему в самолете при взлете и посадке запрещено опускать спинки кресел

Почему мы не можем приземляться и взлетать с комфортом?

ТехИнсайдер
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
10 способов сохранить и укрепить отношения 10 способов сохранить и укрепить отношения

Как сохранить отношения на этапе, когда начинаются совместные будни?

Psychologies
Открыть в приложении