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

Сырые земли Сырые земли

Почему важно изучать водно-болотные угодья, или ветланды?

Наука и жизнь
Александр Домогаров: «Если бы я проиграл, не поднялся бы. И я дрался, дрался как в последний раз!» Александр Домогаров: «Если бы я проиграл, не поднялся бы. И я дрался, дрался как в последний раз!»

Александр Домогаров об отношениях с сыном, актерском мастерстве и идеях

Караван историй
Человеческий фактор Человеческий фактор

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

Вокруг света
11 подсказок для общения с пожилыми родителями 11 подсказок для общения с пожилыми родителями

Как выстроить отношения взрослым детям со взрослыми родителями?

Psychologies
«Вкус детства»: история «той самой» советской сгущёнки «Вкус детства»: история «той самой» советской сгущёнки

Когда появилась, какой была и стала «та самая» сгущёнка

Вокруг света
Что такое глутатион и почему это вещество так важно для организма? Что такое глутатион и почему это вещество так важно для организма?

Глутатион: полезные свойства антиоксиданта и как его восполнять

Psychologies
Про напиток из цикория Про напиток из цикория

Есть время и место для кофе и есть время и место для цикория

Наука и жизнь
Владимир Медведев: Жители России ничего не знают о молчаливых пришельцах, живущих рядом Владимир Медведев: Жители России ничего не знают о молчаливых пришельцах, живущих рядом

Писатель Владимир Медведев — о медленном письме и сюжете, явившемся в полусне

СНОБ
Ахматова-изменница и Гумилев-мальчишка. Как жила главная пара Серебряного века Ахматова-изменница и Гумилев-мальчишка. Как жила главная пара Серебряного века

Абьюз, измены и рукоприкладство: как жили Гумилев с Ахматовой

СНОБ
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
Дуэты с мировыми звездами, болезни и одна женщина: горе и радости жизни Николая Носкова Дуэты с мировыми звездами, болезни и одна женщина: горе и радости жизни Николая Носкова

Строчка «на меньшее я не согласен» лучшего всего описывает жизнь Николая Носкова

VOICE
Выиграть жену Выиграть жену

Интеллектуальные игры сопровождали калмыков с детства

Вокруг света
Заплатить за свидание: как инвесторы отдают деньги мошенникам с сайтов знакомств Заплатить за свидание: как инвесторы отдают деньги мошенникам с сайтов знакомств

Как понять, что вместо свиданий вам предлагают инвестиционный скам?

Forbes
Гений места Гений места

Настоящие фанаты своих городов, которые открывают их заново

Новый очаг
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
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
Все дорожки ведут в Рим. Каким получился «Мегалополис» Фрэнсиса Форда Копполы? Все дорожки ведут в Рим. Каким получился «Мегалополис» Фрэнсиса Форда Копполы?

«Мегалополис» — многострадальный фильм, идею которого режиссер вынашивал с 1977

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
«Рынки вернулись к привычному росту» «Рынки вернулись к привычному росту»

Как экономика Рунета адаптировалась к высоким рискам

РБК
Бешеные скорости, безумные деньги и крутые копы: все, что вы хотели знать о немецких автобанах Бешеные скорости, безумные деньги и крутые копы: все, что вы хотели знать о немецких автобанах

Немецкие автобаны: может быть, не все правда, что о них толкуют?

ТехИнсайдер
Что такое маховик и для чего он нужен. Устройство и неисправности Что такое маховик и для чего он нужен. Устройство и неисправности

Все о маховике: что это и для чего нужно в автомобиле

РБК
Какими видами спорта занимались наши предки-славяне Какими видами спорта занимались наши предки-славяне

Список исконно русских спортивных игр: от аналога хоккея до мордобоя

Maxim
Теория игр Теория игр

Прав ли сказавший, что наша жизнь – игра?

Вокруг света
Полезно ли делать «зарядку для глаз» Полезно ли делать «зарядку для глаз»

«Зарядка для глаз» — звучит полезно, но есть ли от неё реальная польза?

ТехИнсайдер
Как оригинально! Декрета, Гипотенуза и другие популярные имена для девочек в СССР Как оригинально! Декрета, Гипотенуза и другие популярные имена для девочек в СССР

На популярность имен новорожденных в разное время влияли исторические события

Лиза
Почему в автомобиле всегда так хочется вздремнуть Почему в автомобиле всегда так хочется вздремнуть

Почему поездка в автомобиле так убаюкивает?

Maxim
8 мужских ролей, доставшихся актрисам 8 мужских ролей, доставшихся актрисам

Боевики, фантастика и триллеры — мужская вотчина, в которую ворвались женщины

Maxim
«Психоанализ может быть полезен любому»: что нужно знать об этом методе психотерапии «Психоанализ может быть полезен любому»: что нужно знать об этом методе психотерапии

Чарльз Турк по сей день совмещает в практике психиатрию и психоанализ

Psychologies
Что такое русский модерн? Что такое русский модерн?

Как русский модерн преломляется и выглядит в современных интерьерах наших дней?

Правила жизни
«Многие банки пытаются нас повторить» «Многие банки пытаются нас повторить»

Как меняются клиентские запросы на рынке premium-banking?

Деньги
Открыть в приложении