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

Екатерина Великая в Москве Екатерина Великая в Москве

Екатерина Великая не любила Москву, но так ли всё однозначно?

Знание – сила
Как вы можете бороться с климатическим кризисом? Узнайте простые советы эксперта! Как вы можете бороться с климатическим кризисом? Узнайте простые советы эксперта!

Может ли простой человек повлиять на глобальное потепление?

ТехИнсайдер
Человеческий фактор Человеческий фактор

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

Вокруг света
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
Привезите мне на Новый год санкционку в подарок Привезите мне на Новый год санкционку в подарок

Какими путями в страну попадает импорт и какие препятствия стоят у него на пути

Монокль
Эта диета «убивает» вас: 4 типа продуктов, которые ведут к диабету Эта диета «убивает» вас: 4 типа продуктов, которые ведут к диабету

Ученые и врачи уже давно знают, какая диета повышает риски развития диабета

ТехИнсайдер
Энтузиазм и отвага Энтузиазм и отвага

Секрет петербургского ресторанного феномена — это энтузиазм его создателей

Монокль
Маржа на горошинах Маржа на горошинах

Аграрии переводят посевы нерентабельных зерновых на альтернативные культуры

Агроинвестор
«Любуйтесь, мамаша, вот он, ребенок ваш»: как женщины переживают акушерское насилие «Любуйтесь, мамаша, вот он, ребенок ваш»: как женщины переживают акушерское насилие

Книга казахской писательницы Алтынай Султан об опыте беременности

Forbes
«Ведая пространство земель нашей империи…» «Ведая пространство земель нашей империи…»

Как Екатерина Великая решала проблемы демографии и освоения пустынных территорий

Знание – сила
Признаки нездоровых отношений: как отследить их вовремя Признаки нездоровых отношений: как отследить их вовремя

Как понять, что общение с партнером начало причинять реальный вред?

Psychologies
Ресторатор Александр Сысоев — о пьянстве в барах и том, как с ним бороться Ресторатор Александр Сысоев — о пьянстве в барах и том, как с ним бороться

Почему люди в барах напиваются и пристают к гостям и как этого избежать

СНОБ
Барон умер, да здравствует барон! Барон умер, да здравствует барон!

Чем известен современный британский клан Ротшильдов

Деньги
Ультразвук в кофемашине приготовил колд-брю за три минуты Ультразвук в кофемашине приготовил колд-брю за три минуты

Ультразвуковые колебания на фильтр кофемашины ускорили приготовление колд-брю

N+1
«Майор Гром: Игра слов»: эксклюзивный отрывок на MAXIM «Майор Гром: Игра слов»: эксклюзивный отрывок на MAXIM

Глава из книги «Майор Гром: Игра слов», в которой Игорь и Юля разгадывают тайну

Maxim
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
Наскальные рисунки коров в Африке говорят о том, что когда-то Сахара была зеленой Наскальные рисунки коров в Африке говорят о том, что когда-то Сахара была зеленой

Когда-то Сахара была покрыта травой, болотами и водопоями

ТехИнсайдер
Бей, молись, беги Бей, молись, беги

Игры с мячом и битой – древнейшие развлечения человечества

Вокруг света
Финтех на пороге квантового будущего: на что способны суперкомпьютеры и как они изменят нашу жизнь Финтех на пороге квантового будущего: на что способны суперкомпьютеры и как они изменят нашу жизнь

По мнению ученых, мы находимся на пороге Второй квантовой революции

ТехИнсайдер
Убийца прокрастинации: как работать по технике «Помодоро» Убийца прокрастинации: как работать по технике «Помодоро»

Как выполнять задачи эффективно и все успевать благодаря технике «Помодоро»

ТехИнсайдер
5 фильмов, которые помогут лучше понять «Жить своей жизнью» Годара 5 фильмов, которые помогут лучше понять «Жить своей жизнью» Годара

Какие режиссеры повлияли на творчество Жана-Люка Годара

СНОБ
Бизнес предложил поправки в законопроект о майнинге Бизнес предложил поправки в законопроект о майнинге

Представители криптоиндустрии недовольны положениями законопроекта о майнинге

Forbes
Я узнал, что у меня есть актерская семья: чем занимаются наследники голливудских семей Я узнал, что у меня есть актерская семья: чем занимаются наследники голливудских семей

Гид по самым известным голливудским семьям

Правила жизни
Для кого звонит рассветный колокол новой деревни? Для кого звонит рассветный колокол новой деревни?

Факторы эффективности проектов развития территорий на примере движения Сэмаыль

Позитивные изменения
5 самых необычных ролей Киану Ривза 5 самых необычных ролей Киану Ривза

Киану Ривз полон сюрпризов в своих ролях!

Maxim
«Я из Московской газовой службы»: история первого советского маньяка Владимира Ионесяна «Я из Московской газовой службы»: история первого советского маньяка Владимира Ионесяна

«Сейчас я очень ужасный человек, а в прошлом — очень хороший человек»

ТехИнсайдер
Невозможный человек! Невозможный человек!

7 советских актеров, чей характер оказался слишком тяжелым в работе

Лиза
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
Как сила воли влияет на наши решения Как сила воли влияет на наши решения

Как и зачем тренировать силу воли?

Psychologies
Альбина Мухаметзянова: «Моя жизнь трансформировалась благодаря «ЯРКО»!» Альбина Мухаметзянова: «Моя жизнь трансформировалась благодаря «ЯРКО»!»

«У нас не было времени долго раскачиваться — мы заходили в сформированный рынок»

Караван историй
Открыть в приложении