Очень кривая Вселенная

17 марта по информационным агентствам мира прошло сообщение, после которого новостной поток взорвался заголовками: «Открыты гравитационные волны». Американские исследователи, работающие в проекте BICEP2, определили параметры так называемых первичных волн, оставшихся после рождения Вселенной 13,7 миллиарда лет назад.

Таким образом, они подтвердили инфляционную теорию, двое из трех основоположников которой — российские ученые

 

В квартире академика Алексея Старобинского в Москве звонит телефон. Старобинский берет трубку, и мне слышно, что там говорят: «Алексей Александрович, поздравляю с будущей Нобелевской премией!» «Нужно подождать, пока проверят и получат данные эксперимента "Планк”», — отвечает он.

Про то, что у инфляционной теории мало конкурентов в физике, известно. Но так было не всегда. Старобинский был первым, заявив о ней в 1979 году. Потом, в 1981-м, американец Алан Гут ввел в научный язык термин «космологическая инфляция», а в 1982-м тогда еще московский физик Андрей Линде предложил свою модель новой теории. Этих трех людей и считают основателями современного взгляда на то, как рождалась Вселенная. Все трое продолжают работать, каждый год выдают что-то еще более интересное и по космологии, и по квантовой гравитации, что, как сейчас понятно, почти одно и то же.

Сам же этот современный взгляд такой: сначала Вселенная была очень маленькая, но не точка, и пустая. То есть вакуум — в ней не было частиц, но была некая субстанция с громадной энергией. Эта энергия почти мгновенно со страшным ускорением расширила Вселенную до размеров примерно с бактерию (если говорить о той части, которая сейчас занимает пространство в 13,7 миллиарда световых лет и которую мы видим). Потом энергия стала распадаться, то есть переходить в частицы и античастицы: в электроны, позитроны, протоны, частицы темной материи. Все это разогрелось до плазменного состояния, а потом постепенно остывало и разлеталось уже по инерции. Потом частицы сложились в атомы, появились звезды, галактики, планеты.

Но в науке все же необходимо получить экспериментальное подтверждение теории. И американцы его получили. Они обнару­жили след тех событий, которые произошли, когда Вселенная раздувалась ускоренно: гравитационные волны. Отсюда и разговоры о Нобелевской премии.

А нас пока интересует рождение Вселенной.

— Алексей Александрович, что обнаружили на радиотелескопе BICEP2?

— Получили подтверждение того, что было предсказано в моей работе 1979 года, — что на стадии инфляции возникают гравитационные волны именно с таким спектром. Я тогда слово «инфляция» не употреблял — использовал другие термины. Слово впервые появилось в работе Гута 1981 года.

— Как это увидели?

— Смотрят с помощью радиотелескопа на Южном полюсе. На тех длинах волн, которые нам нужны, мешает наблюдать водяной пар в атмосфере, поэтому чем холоднее, тем лучше.

— А что именно смотрят?

— Как выглядит реликтовое излучение. Давайте я все по порядку расскажу. Нас окружает реликтовое электромагнитное излучение — тот свет, те фотоны, которые разлетелись в конце горячей стадии Большого взрыва. Температура излучения — 2, 725 градуса Кельвина. Но она чуть-чуть разная по разным направлениям. Речь идет о разнице в десятки микрокельвинов.

— Это ведь давно известно?

— Да, около двадцати лет. Следующий факт, который мы знаем уже около десяти лет: поляризация этого излучения. У фотонов есть электрическое и магнитное поле. Электрическое может быть направлено куда угодно. Но оказалось, что есть очень маленькая часть фотонов, которая отклоняется от случайного распределения.

Давайте я вам покажу, как это выглядит на карте неба, которую составил WMAP, американский спутник. Видите, карта похожа на географическую? Где континенты, желтым, там температура фотонов выше, а где моря, синим, — ниже. Но, в отличие от земной карты, здесь в каждой точке не только цвет, но и скрытая информация, стрелка — направление поля. Не очень даже понятно, как это на карте нарисовать, поэтому просто математически пишут. В общем, у каждой точки не только число, но и стрелка.

— И что это значит?

— Это значит, что Вселенная у нас не однородная — в ней есть возмущения метрики.

— Метрика — это что? Гравитационное поле?

— Ну, давайте так: не строго однородное и изотропное гравитационное поле. Ведь что мы видим на карте? Это запись того, что происходило на горячей стадии Большого взрыва, когда температура этих фотонов была в 1100 раз больше. Именно тогда возмущения метрики записались на этих фотонах, а мы сейчас, через 13,7 миллиарда лет, можем это увидеть. Гравитационное поле вызывает отклонение лучей света, фотонов, изменяет их, это и есть «запись» возмущений поля. Вот как вы записываете звук на диктофоне, а потом можете прослушать… Что замечательно — что вот эта картинка в точности показывает, что тогда во Вселенной гравитационных возмущений было ровно столько, сколько нужно, чтобы образовалось столько галактик, звезд и планет, сколько есть сейчас.

— А если бы не было тогда никаких возмущений, что было бы?

— Ответ такой: для образования всей видимой структуры — звезд, галактик — тогда, в ранней Вселенной, должны были быть возмущения гравитационного поля.

— То есть если бы их не было, все было бы равномерно заполнено веществом?

— Конечно. Ничего бы не было, и нас с вами тоже. Но гравитационные возмущения были, и галактики образовались.

— Но вы говорите, что это уже давно известно, тогда почему только сейчас, после наблюдения гравитационных волн, стали говорить, что ваша теория подтвердилась?

— У излучения обнаружили еще один тип поляризации, отклонения — магнитную составляющую. Ее могут генерировать только первичные гравитационные волны. В альтернативных теориях ее не должно быть.

— Что это такое? Первичные гравитационные волны?

— В общей теории относительности Эйнштейна предсказано всего три типа возмущений гравитационного поля. Первые два связаны с тем, больше или меньше материи в каком-то месте и какая у нее скорость. А гравитационные волны возникают даже тогда, когда материи нет вообще — в пустоте.

— То есть это как бы истинные возмущения?

— Правильнее сказать, что это собственные возмущения гравитационного поля. Их сейчас и обнаружили. Это колоссальная работа. Если вы посмотрите графики в статье, которую сделала команда этого телескопа, вы увидите там черточки. И в одном месте их избыток. Вот те четыре лишние черточки — итог их огромной работы. Если бы гравитационных волн не было, не было бы и их.

Но есть и драматизм. В комментариях к открытию вы можете прочитать, что они искали иголку в стоге сена, а нашли железный лом. Почему? Потому что у нас есть некое число в теории, r — эр малое, — и год назад команда другого эксперимента, эксперимента «Планк», сказала, что оно должно быть по крайней мере в два, а скорее всего, даже в четыре раза меньше, чем сейчас оказалось. Они свое число r обнародовали, но данные по поляризации почему-то держат в секрете. Я думаю, у них возникли какие-то проблемы с очисткой результатов от других излучений. А нам нужно независимое подтверждение, поэтому я и говорю об открытии с осторожностью.

— И что все это означает? Как теперь выглядит рождение Вселенной?

— Само существование гравитационных волн  подтверждает идею инфляции — ускоренного расширения Вселенной в далеком прошлом — в целом. В самом начале вся Вселенная была сверхплотная и со сверхбольшой кривизной пространства.

— Очень сильно кривая Вселенная…

— В первой моей работе 1979 года это все уже было. Потом Вселенная расширялась, ее кривизна быстро падала, и сейчас она практически плоская. Но от того времени, когда было не так, к нам и дошли первичные гравитационные волны. Второе важнейшее следствие открытия: мало того что это гравитационные волны, это еще и квантовые гравитационные волны! Все наши расчеты построены на этом.

— Это означает, что есть гравитоны? Как фотоны переносят свет, так и гравитоны — гравитацию?

— Да, да. Много рассуждали о том, нужно ли квантовать гравитацию, нет… Ответ: да, нужно. Теперь третье: исследователи ждали, что гравитоны найдут, но думали, что их больше всего будет в миллиметровых волнах. А на сверхбольших масштабах никаких гравитационных волн не должно было быть. В старой космологии — без первичной инфляционной стадии… Так вот, практически единственный способ сделать так, чтобы гравитационные волны были на тех колоссальных масштабах, где их обнаружили, — а это примерно 10 в 26-й степени сантиметра (в тысячу раз больше диаметра Галактики. — «РР»), — устроить инфляцию. Это и было обнаружено в моей работе 1979 года. Инфляционная стадия нужна была как раз для того, чтобы иметь много гравитонов не только на таких коротких волнах, как миллиметровые, где измерить невозможно, а и на таких колоссальных.

— А почему они такими гигантскими стали?

— Происходило сильное расширение Вселенной, а кривизна пространства оставалась одной и той же.

— То есть они как бы растянулись. Понятно. И теперь все? Уже совсем все ясно с тем, как Вселенная развивалась?

— Нет. У нас есть очень простые модели, которые предсказывают все. Но если то, что открыли, действительно существует, все несколько сложнее. К этой картине ближе всего та модель, которую Андрей Линде ввел в 1983 году, но при более внимательном рассмотрении оказывается, что и к ней нужны поправки. С другой стороны, теперь интереснее: используя эти данные, мы не просто подтверждаем общую теорию инфляции, но и начинаем изучать, что там в какой момент происходило до Большого взрыва.

— Именно до?

— Есть некая путаница сейчас… Я предпочитаю говорить о горячем Большом взрыве. Думали, начиная с Гамова, в течение последних 60 лет, что с него все начиналось. А мы говорим, что до горячего Большого взрыва была стадия инфляции. Разница в том, что, во-первых, эта стадия низкотемпературная, а во-вторых, на стадии горячего Большого взрыва расширение Вселенной замедленное, а при инфляции — ускоренное.

— Раньше ведь вообще считалось, что все взорвалось из точки с бесконечной плотностью…

— Да, и это неверно. У Вселенной был вполне макроскопический размер. В тот момент, когда возникли гравитационные волны, ее размер был примерно в 10 в 30-й степени раз меньше, чем в конце инфляции. Но и это не была точка. А в момент окончания инфляции, перед началом горячего Большого взрыва, та часть Вселенной, которую мы видим, была примерно сотой долей миллиметра в размере (сейчас 13,7 млрд световых лет. — «РР»).

— А что мы думаем про весь тот участок, который «рванул» вместе с нами?

— Он значительно, фантастически больше. В десять в степени сто тысяч и, возможно, даже больше раз. И я подчеркиваю: это только наша Вселенная. Если вы берете больший масштаб, Вселенная перестает быть однородной, это уже другие вселенные. Во-вторых, понятно, что всегда где-то в пространстве, а в некотором смысле и во времени есть вселенные на инфляционной стадии.

Остается вопрос: «Что было раньше?» Инфляция ведь не решает проблемы сингулярности, она ее просто отодвигает в прошлое. Одна из возможностей — то, что инфляции предшествовало сжатие. Вторая — что наша Вселенная была частью какой-то мета- или мультивселенной. Пока еще есть сторонники теории, что до инфляции вообще ничего не было: ни пространства, ни времени, но эта гипо­теза ни к какому полезному предсказанию не приводит.

— Это та самая сингулярность?

— Конечно. Формально сингулярность — это некое математическое оформление рождения Вселенной из ничего. А я сторонник того, что и пространство, и время были всегда. Другое дело, что нужно учитывать их квантовые свойства.

 Авторы: Алексей Торгашев. 

 

Источник : Русский репортер.