Вселенная без инвариантов

Академик РАН, главный научный сотрудник Института ядерных исследований РАН Валерий Рубаков рассказывает о том, как возникла наша Вселенная, как она развивается и что ждет ее в очень далеком будущем
Вселенная без инвариантов
Академик РАН, главный научный сотрудник Института ядерных исследований РАН Валерий Рубаков
Фотография: Алексей Таранин

Когда и как возникла Вселенная? Или она существовала вечно? Этот вопрос испокон веков беспокоил человечество. Неслучайно среди древнейших памятников, созданных людьми, одно из первых мест занимают первобытные астрономические лаборатории вроде Стоунхенджа. Но до относительно недавнего времени найти ответ на этот вопрос пытались религиозные пророки и философы, и лишь в ХХ веке, после создания общей теории относительности и квантовой теории, это стало предметом науки — космологии. Все мы наслышаны о теории Большого взрыва, есть даже известный американский сериал с таким названием, но мало кто представляет себе, что стоит за этими словами и куда и как развивается эта теория. Мы решили обсудить последние достижения с академиком РАН, главным научным сотрудником Института ядерных исследований РАН Валерием Рубаковым — одним из ведущих мировых специалистов в области квантовой теории поля, физики элементарных частиц и космологии. И перед нами разверзлась пропасть, в которую улетели все наши надежды на то, что где-то в мире есть хоть один островок стабильности и инвариантности. Остались только холодные и пугающие уравнения и их решения. 


 Можно ли сказать, что сейчас происходит космологическая революция?

— За последние лет тридцать действительно произошла революция. Когда я начинал, а это было самое начало восьмидесятых, люди, которые занимались физикой частиц, считали, что это такая рукомахательная деятельность, нереспектабельная: «Какая космология? Это все вилами на воде писано». 

Вы сразу после университета космологией занялись?

— Нет. У меня вообще бэкграунд — физика элементарных частиц. Но у нас в Институте ядерных исследований АН СССР, когда я сюда пришел в 1979 году, уже было понимание, что физика частиц и космология — это тесно связанные между собой вещи. В частности, у Вадима Алексеевича Кузьмина, замечательный был физик. В течение довольно долгого времени и я, и многие мои коллеги этим параллельно занимались. И до сих физика частиц и космология вместе. Сейчас это общее место, и человек, который занимается физикой частиц, если он теоретик, да даже и не теоретик, должен знать и понимать космологию.

— А когда произошел перелом?

— Когда обнаружили анизотропию реликтового излучения, в 1992 году. Это открытие сопровождала обидная для наших физиков история. Был такой советский спутник «Реликт». Который летал еще с начала восьмидесятых. Именно он первым «увидел» анизотропию. Но команда, которая анализировала результаты, не решилась объявить об открытии. У них была публикация в нашем советском журнале, но какая-то не очень уверенная. Там не было совсем уж определенно заявлено: «Да, мы видим анизотропию, мы сделали открытие». А заявили об этом американцыкогда через несколько месяцев опубликовали результаты наблюдений со своего спутника COBE, и им досталась Нобелевская премия. 

— Понятно, что революция в космологии связана с тем, что появились инструментальные возможности получения экспериментальных данных. Наверное, самое интересное из недавних открытий — подтверждение того, что существуют гравитационные волны?

— Это не совсем космология. Обнаружение гравитационных волн, скорее, важно для астрофизики. А для всего естествознания это важно как подтверждение того, что эйнштейновская общая теория относительности хорошо работает. 

magnifier.png Был такой советский спутник «Реликт». Который летал еще с начала восьмидесятых. Именно он первым «увидел» анизотропию. Но команда, которая анализировала результаты, не решилась объявить об открытии

Хотя, как у любой теории, конечно, у нее есть свои пределы применимости. Известно, что пока не удалось создать теорию, которая объединяла бы общую теорию относительности и принципы квантовой механики. Это тяжелая задача, которую разные ученые пытаются решить разными способами. Сейчас наиболее популярна теория струн. Она претендует на то, что она и есть квантовая теория гравитации. Но это никто еще не доказал. Есть надежда, но пока экспериментально теория струн никак не проверена, и ее очень тяжело будет проверить, если вообще возможно. Есть разные другие подходы, но все они пока никоим образом не доказали своей адекватности и применимости.

— А можно ли обойтись без этой великой теории, которая объединяет и гравитацию, и квантовую теорию? Тем более что еще и сильное взаимодействие не объединено…

— Конечно, необходимо! У нас квантовый принцип работает на всех уровнях — значит, он должен работать и для гравитации. Значит, должна быть квантовая теория гравитации.

А электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие устроены очень похоже друг на друга, если посмотреть на их уравнения и на структуру этих теорий. Основная особенность этих теорий — наличие частиц, похожих на фотон: векторных частиц с единичным спином. Если в электромагнитных взаимодействиях это фотон, то в слабых взаимодействиях это W- и Z-бозоны и глюоны в сильных взаимодействиях. Если крупными мазками, то они все устроены примерно одинаково. 

Эти три типа взаимодействий естественным образом объединяются при очень высоких энергиях, и поэтому очень трудно получить экспериментальные данные. Хотя, похоже, на этих энергиях это должно быть одно и то же единое взаимодействие. Но, пожалуй, главным экспериментальным подтверждением этого объединения служил бы распад протона. И я хорошо помню, что в начале восьмидесятых, когда объединенные теории только появились, думалось, что вот-вот, сейчас будет найден распад протона. Теоретически казалось, что это не так чтобы безумно тяжело сделать. 

magnifier.png Гравитация — это совсем другая теория. Она связана с геометрией пространства-времени. А на языке физики частиц это теория с гравитоном — частицей со спином 2. Поэтому гравитацию поженить с квантовыми принципами оказывается очень непросто

И теории типа электродинамики, сильного и слабого взаимодействия, хорошо сшиваются с квантовыми принципами, и их квантовую теорию построить возможно. Квантовая электродинамика, например, существует с пятидесятых годов и отлично подтверждена.

Гравитация — это совсем другая теория. Она связана с геометрией пространства-времени. А на языке физики частиц это теория с гравитоном — частицей со спином 2. Поэтому гравитацию поженить с квантовыми принципами оказывается очень непросто. Сейчас наиболее актуален и наиболее интересен вопрос, как была устроена Вселенная на очень ранней стадии своей эволюции. Там как раз и может быть найдено решение проблемы квантовой теории гравитации.

Сейчас мы находимся на временно́м расстоянии примерно 13,8 миллиарда лет от некоторого условного начала существования Вселенной. 


С чего начиналась Вселенная

 Может, от сингулярности? 

— Это и есть один из вопросов, на которые должна ответить космология. Мы знаем, что в истории Вселенной был недолгий, но очень интересный период, примерно 380 тысяч лет от начала ее расширения. Именно в это время, когда замедлившиеся электроны получили возможность соединяться с замедлившимися протонами и альфа-частицами, образуя атомы, «отщепилось» реликтовое излучение (по-английски — CMB, Cosmic Microwave Background, и мы его отлично измеряем. 

Мы уверенно знаем также, что происходило в период от 1 до 300 секунд, когда во Вселенной происходили термоядерные реакции, как в Солнце, и образовывались легкие элементы — гелий-4, дейтерий, литий-7. По-английски этот процесс называется BBN, Big Bang Nucleosynthesis, первичный нуклеосинтез, образование легких ядер. 

Есть области во Вселенной, которые не подверглись дальнейшей переработке, и там состав элементов такой же, как в первичном веществе. Вы можете измерить там количество дейтерия и гелия-4. Литий-7 сложнее обнаружить, его меньше во много раз, но тем не менее его тоже можно измерить. Эти измерения сравниваются с вычислениями. И видно, что все складывается. Это означает, что мы всё правильно понимаем.

magnifier.png В истории Вселенной был недолгий, но очень интересный период, примерно 380 тысяч лет от начала ее расширения. Именно в это время, когда замедлившиеся электроны получили возможность соединяться с замедлившимися протонами и альфа-частицами, образуя атомы, «отщепилось» реликтовое излучение

Вселенная была как термоядерный реактор, но в ней была низкая плотность вещества — один протон на миллиард фотонов. Это была очень горячая среда, в которой редко-редко болтались протоны и нейтроны. Они собирались и сливались, образовался дейтерий и гелий-4, но этот процесс сам по себе передавал мало энергии: высокая температура была и так. 

Наверное, были еще более ранние стадии, на которых образовались частицы темной материи и дошедшее до нас различие между количеством вещества и антивещества, с еще большими температурами — сотни триллионов градусов или выше, при временах меньше наносекунды, но это уже гипотезы. 

Вне всякого сомнения, была и еще более ранняя стадия по времени, может быть короткая, а может быть и нет, но главное, совсем не похожая на горячую. Считается, что именно на этой стадии происходило инфляционное, то есть очень быстрое, экспоненциальное расширение. Вещества в обычном смысле в это время не было. Элементарных частиц не было. Было некое поле, которое заставляло расширяться тогдашнюю Вселенную.

magnifier.png Вселенная была как термоядерный реактор, но в ней была низкая плотность вещества — один протон на миллиард фотонов. Это была очень горячая среда, в которой редко-редко болтались протоны и нейтроны

Там было совсем другое состояние: большая плотность энергии, но без температуры, без элементарных частиц. Чтобы такой процесс описать, вводится некое специальное поле — пятое фундаментальное поле, которое включилось, а потом выключилось, но заставило Вселенную так разгоняться. А потом его энергия перешла в тепло. 

- А как это поле называется?

— Инфлатонное, от слова «инфляция». Инфлатонное поле начинает переходить в тепло примерно через 10−35 секунды после сингулярности, если она существовала.

— Но у поля должны быть частицы…

— Должны — инфлатоны…. Но они, по-видимому, очень слабо взаимодействуют с теми, которые мы знаем, и их очень трудно зарегистрировать. Хотя обсуждаются разные варианты. Например, в качестве инфлатонного поля может выступать хиггсовское поле. Тогда квант этого поля — это хиггсовский бозон.

И описывается это квантовой теорией и теорией гравитации. Они там уживаются. 
В основном это классическое поле.
А его уравнения — это нечто аналогичное классической электродинамике, уравнениям Максвелла. 

Что здесь замечательно? То, что эта ранняя стадия, длящаяся, скажем, 10−35 секунд, оставляет от себя отпечаток. Выясняется, что именно на этой стадии образуются все неоднородности во Вселенной. Из которых впоследствии рождаются галактики, скопления галактик — все структуры, какие есть во Вселенной, зарождаются на этой стадии, образуются случайным образом за счет квантовых эффектов. Это вероятностный процесс. А эти неоднородности приводят к анизотропии реликтового излучения, потому что в разных направлениях из-за того, что есть неоднородности, его температура немножко разная. 

И то, что мы сегодня знаем об анизотропии реликтового излучения, вообще-то согласуется с тем, что предсказано инфляционной теорией. Но знаем мы маловато. Поэтому вопрос в том, была ли эта инфляция или была какая-то другая стадия, — это все еще гипотезы.


Темная история с темной энергией

 А какая стадия следует за периодом предполагаемой инфляции? 

— Если у вас есть зависящее от времени гравитационное поле и поле инфлатона, то они порождают частицы. Любое гравитационное поле, если оно быстро меняется, будет порождать обычные частицы. Да и любое электромагнитное поле, если оно быстро меняется. Сейчас, например, обсуждаются возможности сверхсильных лазерных полей, в которых тоже будут рождаться частицы. Похожий механизм работает и здесь. В результате этого рождения частиц и их последующих взаимодействий во Вселенной появляется горячее вещество, а энергия инфлатона уменьшается. В конце концов происходит переход на горячую стадию космологической эволюции.

magnifier.png Что здесь замечательно? То, что эта ранняя стадия, длящаяся, скажем, 10−35 секунд, оставляет от себя отпечаток. Выясняется, что именно на этой стадии образуются все неоднородности во Вселенной. Из которых впоследствии рождаются галактики, скопления галактик — все структуры, какие есть во Вселенной

После того как инфлатон перешел в температуру — температура здесь не очень понятно какая, но гигантская в любом случае. Ясно, что больше, чем 1012 градусов. Много, много больше. И уже после разогрева Вселенной, думается, образуется, как я говорил, темная материя. Она есть, мы в некотором смысле видим ее, знаем, что она есть. Без нее мы не можем объяснить современное состояние Вселенной. Пока неизвестно, что это такое, но, наверное, она образуется когда-то на этой горячей стадии.

Если есть температура, значит, есть и вещество: лептон-кварк-глюонная плазма. Кварки, лептоны, глюоны. Высокая температура — все время происходит рождение пар «кварк — антикварк» и фотонов. И на этой стадии, наверное, должна свариться темная материя. Отсюда должны прийти частицы темной материи к нам. И зная, что это за частицы, мы сможем проверить, правильно ли мы понимаем механизмы эволюции Вселенной. Но пока мы этого не знаем. 

Не знаем, как они взаимодействуют между собой и как взаимодействуют с нашим веществом. Знаем только то, что они производят гравитационные потенциалы так же, как обычные частицы.

Есть много экспериментов по поиску темной материи. Но пока уверенных детектирований ее нет.

— А темная энергия когда появилась?

— Темная энергия — вообще самое туманное дело. Она проявляется в последние несколько миллиардов лет. До сравнительно недавней поры никаких эффектов от нее не было видно. И теоретически не должно было быть, как кажется.

— Но у нее же гигантская доля в общей энергии Вселенной.

— Сегодня много, да. Но только сегодня. Потому что ее плотность держится постоянной. А в прошлом плотность материи — темной и обычной — была больше. Из-за того, что Вселенная растянулась, эта плотность стала меньше. То есть до этого времени доминировало вещество, материя, но в основном темная. И вот совсем недавно по космологическим меркам, скажем шесть миллиардов лет назад, стал виден эффект расширения благодаря этой темной энергии. На эту тему есть разные гипотезы. Но пока уверенно сказать, что это такое, не получается.

Одна из возможностей — это энергия вакуума, у которого плотность энергии просто постоянная. Она здесь везде есть, но везде маленькая. Но увеличивается ее относительная доля. Потому что плотность энергии у вакуума постоянная, а у обычного вещества она падает из-за расширения.

magnifier.png Темная энергия — вообще самое туманное дело. Она проявляется в последние несколько миллиардов лет. До сравнительно недавней поры никаких эффектов от нее не было видно. И теоретически не должно было быть, как кажется

А на самом деле есть еще один компонент — радиация, реликтовые фотоны (и нейтрино на ранних стадиях эволюции Вселенной). У нее падение плотности энергии с расширением еще быстрее. И когда-то раньше, когда возраст Вселенной был меньше 50 тысяч лет, релятивистское вещество было главным. Плотность его энергии была самой большой. До этого времени доминировало релятивистское вещество, в основном фотоны и немножко нейтрино. У этих реликтовых фотонов плотность энергии была больше, чем плотность энергии всего остального. Так называемая стадия радиационного доминирования. 


Вселенная с отскоком

 Вы сказали, что, возможно, на самом-то деле никакой инфляции не было… 

— Действительно обсуждается возможность, что на самом-то деле никакой инфляции не было, а расширению Вселенной предшествовало ее сжатие. Сегодня Вселенная расширяется, а в далеком прошлом происходило наоборот, сжатие. Может быть, достаточно медленное. Такое же, как сегодня расширение, но в обратную сторону. Потом остановка, и потом опять расширение. Это, как говорят, «Вселенная с отскоком», bouncing Universe. 

У такого взгляда есть свои теоретические прелести: можно обосновать генерацию неоднородностей на стадии сжатия. И тогда инфляции не надо, не нужны и инфлатоны. Тогда нужны совсем другие механизмы и поля, которые обеспечат такое чудное явление. Хотя это очень нетривиально обосновать чисто теоретически — смену сжатия и расширения. Пока эти теоретические исследования в работе, но, похоже, внимательно изучая свойства неоднородностей по реликтовому излучению и распределению галактик, мы сможем понять, что же было: была ли инфляция или вместо инфляции было что-то другое, например сжатие. Или, может быть, что-нибудь еще. 

Если же мы будем знать, что это инфляция, тогда отцы этой теории поедут в Стокгольм. Это произойдет, когда будут обнаружены реликтовые гравитационные волны огромных размеров, сравнимые с современным размером Вселенной, то есть измеряемые в гигапарсеках.

Возможно, эксперименты следующих поколений дадут нам необходимые результаты. Но это уже будут другие приборы, не те, которые сейчас используют для измерения гравитационных волн. Сегодня измеряют гравитационные волны длиной километры или десятки километров. А в том случае, который мы обсуждаем, речь идет, как я уже сказал, о гравитационных волнах с длиной волны в гигапарсеки. Они влияют только на температуру и поляризацию реликтового излучения. 

Инфографика: Алексей Таранин // Когда и как возникла Вселенная? Как она закончится?
Когда и как возникла Вселенная? Как она закончится?
Инфографика: Алексей Таранин

А был ли взрыв?

— Вы сказали в одной из своих лекций, что первичный взрыв — это вульгарное представление… 

— Почему я говорю, что вульгарное. Когда люди говорят слово «взрыв», картинка, которая возникает в голове, это бомба, которая взрывается и разлетается в пустоту. Эта картинка неправильная. Правильная картинка: во всем пространстве есть гигантская плотность энергии. Она заставляет это пространство растягиваться.

— С этого началась инфляционная стадия?

— Это вопрос темный. Но если это была инфляция, то об этом мы вряд ли когда-нибудь узнаем. Потому что инфляция растягивает пространство настолько, что все, что было раньше, забывается. 

— Но пространство, которое начало расширяться, имеет какой-то размер?

— Сложный вопрос. Может быть, оно бесконечное. 

— Бесконечное с большой плотностью — это было бы странно.

—- Тут много всего странного. Могло быть, что Вселенная была конечного размера, вроде сферы, и потом начала расширяться и растянулась до гигантских размеров из-за инфлатона. Такой вариант тоже обсуждают. Может быть, это правильно, а может быть, неправильно. Может быть, это изначальное состояние вообще нельзя описывать в терминах обычного пространства, обычного времени. Может быть, это надо описывать совсем в других терминах.

— Но тогда там уже не действует теория гравитации...

— На самом начальном участке инфляции должна работать квантовая теория гравитации. А о том, что было раньше, мы ничего не знаем. Это одна из проблем. Сторонники струнной теории как-то пытались подступиться — ничего не получилось.

— А гравитация возникла в какой момент? 

— После возможной сингулярности возникает инфлатон вместе с гравитацией. Инфляция — это инфлатон плюс гравитация. Плюс общая теория относительности. А с чего это началось — вопрос дискуссионный, и, наверное, в этом месте надо привлекать какой-то — непонятно какой — аппарат квантовой гравитации.

Здесь же появляется сильное и слабое поле, в принципе как возможность.
Они в теории есть, но они не играют здесь роли. Частиц-то пока нет.
Частицы появились потом, после разогрева. 

Это не вся картина. Надо разобраться и с тем, что происходило после разогрева. С темной материей надо разобраться. Хорошо бы понять, что такое темная энергия. 

Но есть еще одна задачка: почему есть вещество и нет антивещества. Предложено много механизмов, которые объясняют это, но какой из них правильный, мы не знаем. 

В принципе, вещество от антивещества отличить можно. Давайте поставим такой мысленный эксперимент: мы с вами, люди, здесь живем. А где-то далеко живет другая цивилизация. И мы хотим узнать: они сделаны из вещества, как мы, или из антивещества? Это нам надо знать, потому что мы с ними хотим войти в контакт когда-нибудь, пожать друг другу руки и при этом не взорваться, не проаннигилировать. Поэтому мы хотим заранее, обмениваясь только фотонами, только информацией, узнать это. Совсем наивно кажется, что это невозможно. Потому что там такие же атомы. Только у них будут протоны отрицательно заряжены, а электроны, то бишь позитроны, будут положительно заряжены. А в остальном вся атомная физика будет такая же. Все спектры, все одно и то же. Но оказывается, что не совсем все симметрично. Есть тонкие вещи, которые позволят все-таки отличить вещество от антивещества. Называются они CP-нарушением, или нарушением комбинированной четности, которое было измерено уже лет пятьдесят назад или больше, по которому частицу от античастицы отличить можно, если правильно задать вопрос про распады K-мезонов: каковы они в далекой цивилизации. 

Нужно их попросить: ребята, изучите распады K-мезонов. Если они распадаются у вас в основном на ваши позитроны, а у нас они точно распадаются больше на наши позитроны, а не на электроны, то вы сделаны из вещества. А если они распадаются в основном на ваши частицы, то ваши частицы — это наши позитроны. Вероятность распада К-мезона на электрон и все остальное и его же на позитрон и все остальное — разная. А К-мезон один и тот же. 

Обнаруженный эффект есть не только в К-мезонах. Сравнительно недавно он обнаружен в B-мезонах с тяжелыми кварками. И сейчас в ЦЕРНе есть целая программа изучения CP-нарушения. 

Но, к сожалению, того, что мы знаем про СР-нарушение и различие между веществом и антивеществом, недостаточно, чтобы объяснить наблюдаемую асимметрию во Вселенной. Нужны другие механизмы. 

При временах больше миллисекунды антивещества уже нет. Все антипротоны проаннигилировали, остались протоны. А при временах порядка десяти микросекунд и меньше температура превышает триллион градусов и во Вселенной полным-полно антикварков, антивещества. 

И в это время относительный избыток кварков над антикварками — это величина типа одной миллиардной. На миллиард пар «кварк — антикварк» был один лишний кварк. Потом, по мере расширения, все эти пары «кварк — антикварк» проаннигилировали, а этот один лишний кварк остался, и вот мы с вами из него и сделаны.

Фотография: Алексей Таранин // «Во Вселенной нет никаких инвариантов вообще. Есть уравнения, есть их решения»
«Во Вселенной нет никаких инвариантов вообще. Есть уравнения, есть их решения»
Фотография: Алексей Таранин

Судьба Стандартной модели 

Есть мнение, что Стандартная модель уже на грани исчерпания и что придется выходить за ее пределы…

— Это так. Во-первых, в Стандартной модели нет частиц темной материи. Это должны быть массивные частицы, электрически нейтральные, потому что они не должны излучать свет, и очень долгоживущие, стабильные частицы, чтобы они не распались за время жизни Вселенной. В Стандартной модели есть нейтрино, но нейтрино слишком легкие.

Во-вторых, в рамках Стандартной модели невозможно объяснить избыток вещества над антивеществом во Вселенной. Одно время, где-то в конце восьмидесятых — начале девяностых, казалось, что можно. Сейчас выяснилось, что нельзя.

Физики давно мечтают, чтобы на ускорителях или каким-то еще образом были обнаружены явления за рамками Стандартной модели, но пока ничего не выходит. Есть очень много гипотез и представлений о том, что могло бы быть видно. Тот же распад протона. В свое время были оценки, что его время жизни должно составлять примерно 1028 лет. Сегодня известно, что больше, чем 1033. Но распада протона не видно. Увидели бы — была бы совсем другая жизнь.

Это экспериментальная проблема. Есть огромная установка, самая большая в мире, Super-Kamiokande в Японии. У нее эффективная, используемая масса мишени — 20 тысяч тонн. Это большой детектор под землей, где, если протон распадается, этот распад будет детектирован. А почему под землей? Чтобы не было космических лучей. И в течение многих лет ни одного распада протона не видели. А в начале восьмидесятых годов все думали: вот-вот, сейчас откроем, кто первый? Была гонка, кто первым откроет распад протона.


Большой разрыв

— А что будет со Вселенной после нас? 

— Хороший вопрос. Ответ: не знаю. И нет доминирующей концепции, потому что все это зависит от того, что собой представляет темная энергия и как она эволюционирует. Если она — константа, то мы так и будем расширяться. Она будет растягивать пространство, пространство будет расширяться до бесконечности, плотность будет падать, далекие галактики будут друг от друга все дальше улетать, Вселенная будет все более и более пустой. 

magnifier.png Я не исключаю, что мы в тупике и для развития теории требуется кардинальный, революционный шаг выхода за рамки сугубо физико-математических представлений. Но не знаю, насколько здесь применимо слово «философия». Может быть, мы действительно слишком утилитарно смотрим на физику

Другая возможность — что плотность темной энергии медленно, но меняющаяся величина, растущая или падающая. Есть ограничения на современный темп изменений, он небольшой. Но никто не сказал, что она не будет потихонечку расти или падать. Если она будет падать и в конце концов дойдет до нуля когда-то в далеком будущем, тогда расширение Вселенной остановится и затем начнется коллапс. Если она растет, то может оказаться вообще беда: не просто Вселенная будет все время расширяться, а она может расширяться все быстрее и быстрее. Если плотность энергии растет, значит, и темп расширения растет. Есть такая гипотеза — «Большой разрыв», Big Rip, когда эта плотность энергии становится бесконечной, темп расширения становится огромным, и все разрывается: электроны улетят от атомов. 

Но сейчас все три сценария равновероятны. Есть не очень пока жесткие ограничения на темп изменения плотности темной энергии. Не очень жесткие — это значит, что за последние семь-восемь миллиардов лет она изменилась не более чем в полтора раза.


Философия физики

 Предыдущие поколения физиков, которые занимались фундаментальными теориями, любили философствовать, объясняя картину мира, которую они создавали своими открытиями. Была широко развита философия науки в целом и ее отдельных направлений, та же философия физики. Вы и ваши коллеги занимаетесь проблемой «сотворения» мира. Казалось бы, все располагает к философскому осмыслению получаемых результатов. Но в последнее время физики явно перестали философствовать. А философы — обсуждать получаемые ими результаты… 

— Согласен. Я не знаю, с чем это связано. Такое ощущение, что философия и физика разошлись. 

Но то, что я слышу от философов, мне, например, ничем не помогает. Вопросы, которыми я занимаюсь, вполне конкретные. Придумывается модель, вычисляется, предлагаются эксперименты. 

Но, может быть, философского осмысления нам как раз и не хватает сегодня. Действительно есть тупиковые вещи, о которых я говорил: объединение квантовых принципов и гравитации, и непонятно, то ли это вопрос техники, то ли это действительно вопрос философский. Я не исключаю, что мы в тупике и для развития теории требуется кардинальный, революционный шаг выхода за рамки сугубо физико-математических представлений. Но не знаю, насколько здесь применимо слово «философия». Может быть, мы действительно слишком утилитарно смотрим на физику.

— А ваши научные интересы сейчас какие?

— В основном меня занимает вопрос, что может быть альтернативой инфляции. Вселенная с отскоком, о которой я уже сказал, — одна из возможностей. И действительно, вроде бы на удивление удается построить самосогласованную теорию такого отскока. Без всякой сингулярности. И это все описывается уравнениями общей теории относительности. Но нужны очень своеобразные поля. Пока это математическая история. Мы научились уравнения для таких полей писать. Эти поля, так же как инфлатон, должны свою энергию отдать в горячую среду, сделать Вселенную горячей. 

В работе над этой проблемой, которой занимаются мои коллеги, пока не все сделано как следует. Но, в общем, более или менее видно, что могут быть механизмы перекачки энергии из полей в вещество, в горячую среду, в температуру и разогрев. 

— А как в данном случае строится теория? Вы берете некое основание и пытаетесь найти уравнения, которые приводят к этому результату?

— Да. Проще говоря, я хочу написать такие уравнения, часть которых — это уравнения общей теории относительности, а другая часть — уравнения этих самых новых полей.

И хочется, чтобы вся эта система уравнений допускала такое решение с отскоком, а главное, чтобы все это было самосогласованным. Чтобы не было никаких бесконечностей, чтобы, если я немножко возмущу и буду рассматривать неоднородную систему, чтобы там не было никаких сильных нестабильностей. 


«Кабак» с законами сохранения

— Отскок или инфляция — но в принципе это одна и та же Вселенная. Действуют ли в ней фундаментальные законы, например закон сохранения энергии? 

— Как раз с законом сохранения энергии в космологии «кабак». В космологии его просто нет. Он не соблюдается. У вас летит фотон по Вселенной. Он краснеет, длина его волны увеличивается, энергия падает из-за расширения Вселенной. Ну и где здесь закон сохранения энергии? У фотона энергия упала. Факт жизни. И во Вселенной в целом невозможно определить такую величину, которая была бы полной энергией Вселенной. Нет такой. И я не вижу никакой необходимости в законе сохранения энергии. И законов сохранения импульса, момента импульса тоже нет.

— То есть законов сохранения в космологии нет?

— В космологическом контексте они не требуются. И уравнения Эйнштейна не подразумевают, что есть законы сохранения в космологическом контексте. Они начинают функционировать тогда, когда у вас есть локальная материя или энергия, а снаружи пустота. То есть снаружи у вас пространство-время Минковского плоское, и, глядя издалека, вы уже можете говорить о массе и об энергии этого вашего объекта. Если же этот объект не локализован, а, как Вселенная, бесконечен или замкнут, как сфера, то уже об этом разговаривать не приходится.

magnifier.png Как раз с законом сохранения энергии в космологии «кабак». В космологии его просто нет. Он не соблюдается. У вас летит фотон по Вселенной. Он краснеет, длина его волны увеличивается, энергия падает из-за расширения Вселенной. Ну и где здесь закон сохранения энергии?

Что такое закон сохранения энергии и откуда вообще он берется? Он берется из того, что у вас в разные времена законы физики одни и те же. А здесь у вас Вселенная расширяется, в разные времена у вас все по-разному.

И в космологии такого объекта, как полная энергия, нет. И интеграл от плотности энергии по пространству не сохраняется. Иначе как это может быть: Вселенная расширяется, а плотность темной энергии остается постоянной? Откуда взялась энергия? Ниоткуда. Нет закона сохранения.

Это мы привыкли: энергия, импульс, угловой момент. Нет таких величин в расширяющейся Вселенной. Таких интегралов не придумаешь. В лучшем случае можно написать некий интеграл, который тождественно равен нулю на уравнениях движения.

— А причинно-следственный подход здесь тоже не работает?

— Работает. Очень даже работает. У вас есть скорость распространения сигнала, она вполне конечная. Вот скорость света не меняется. Пока не требуется, чтобы она менялась. Хотя обсуждаются всякие варианты. Гравитационная постоянная тоже не требуется, чтобы менялась. Но опять же, обсуждаются варианты, где гравитационная постоянная — никакая не постоянная, а тоже зависит от времени. Это вопрос опять экспериментальный. Теоретически не исключено.

— А время? Время у вас линейное, с ним все нормально?

— Время — это время. 

 А если все-таки была сингулярность, то до этого, получается, времени не было?

— Как-то плохо верится, что есть настоящая бесконечность. Это значит, что у вас есть настолько большие плотности энергии и настолько сильно искривленное пространство-время, что обычная, нормальная, привычная картинка пространства-времени, плотности энергии, уравнения общей теории относительности — все это не работает. А что работает, никто не знает. Поэтому мы пока не понимаем, что было до этой сингулярности, было ли там что-нибудь или там вообще нельзя задавать вопрос «что было до». Потому что «до» само по себе требует времени. Если в такой системе нет самого понятия времени, то и задавать вопрос «что было до» тоже бессмысленно.

— Ну, например, докажут экспериментально, что постоянная Планка не сохраняется, что никакая это не постоянная — и как вы будете писать уравнения?

— Напишем, что она зависит от времени, и напишем для нее уравнение.

— То есть вы это допускаете?

— А почему нет? В теории струн есть всего одна константа. Но она размерная, поэтому константа это или не константа — понятие относительное… 

— Но что-то в этой Вселенной должно сохраняться? 

— Не обязательно. Во Вселенной нет никаких инвариантов вообще. Есть уравнения, есть их решения. 


Темы: Интервью

Еще по теме
Руководитель ВНИИФТРИ Сергей Донченко считает, что очередной и не столь далекий технический прорыв человечества будет св...