Эйнштейн не верил в то, что Бог играет в кости. Поэтому он скептически относился к квантовой механике, позволяющей вывести «спекулятивные закономерности». Однако оказалось, всё-таки играет. В 2009 году Алексей Старобинский и Вячеслав Муханов получили одну из самых престижных наград в астрофизике за самое важное открытие в теоретической физике последних 30 лет.
Премию Tomalla Prize вручают за выдающийся вклад в общую теорию относительности и теорию гравитации. За время существования этой награды из российских физиков её был удостоен лишь Андрей Сахаров в 1984 году. Хотя уже тогда имена Старобинского и Муханова могли бы оказаться среди лауреатов. Ведь именно в конце 1970-х — начале 1980-х космологи-теоретики показали, что в «палеонтологическую летопись» Вселенной нужно вставить новую главу — стадию инфляции. Как оказалось позже, это самое важное открытие в теоретической физике последних 30 лет.
Старобинский и Муханов были одними из тех, кто вписал в эту главу важнейшие слова. Но тогда, по их признанию, ни в каком счастливом сне нельзя было представить, что они доживут до момента, когда экспериментаторы подтвердят верность их прозрений. Прозрений, основанных на том, что квантовые эффекты микромира могут работать даже в огромных вселенских масштабах.
— Если вы премию вместе получили — значит, вы соавторы?
Муханов: Какие мы соавторы? Скорее конкуренты!
Старобинский: У нас, правда, нет совместных работ, но мы использовали результаты друг друга. Так, в самой известной работе Славы (совместно с Чибисовым) 1981 года использована моя модель 1980 года. А я потом развил их расчёты.
— То есть корнями ваши работы уходят в 1970—1980-е годы, когда физики формировали современную космологию — науку о Вселенной в целом?
Старобинский: Да, но сегодня под Вселенной понимается некая хотя и громадная, но всё-таки часть. Обозримая часть чего-то ещё большего — либо мультивселенной, либо метавселенной. А кроме нашей Вселенной сейчас — как математическое предсказание — существует ещё множество вселенных. Но космология именно нашей Вселенной состоит из двух частей: изучение настоящего состояния Вселенной и изучение её прошлого. Космология ранней Вселенной носит археологический характер.
— Может, палеонтологический?
Старобинский: Или так. Мы по всяким найденным в космосе артефактам — «костям» — пытаемся восстановить историю мира. И так мы двигаемся шаг за шагом вперёд в прошлое. Примерно до 1980 года была известна стадия Большого взрыва, когда вещество было очень горячим. Большой шаг заключался в том, что в биографии нашей Вселенной удалось открыть новую стадию, это как если бы палеонтологи открыли новую эру. Новая стадия Вселенной по времени была очень короткой, но по своему значению крайне важной. Однако мы можем видеть пока только конец этой стадии. И вот сейчас мы размышляем о том, а нельзя ли пойти в её начало?
— Что происходило на этой стадии?
Старобинский: Инфляционная стадия подразумевала, что на раннем этапе Большого взрыва Вселенная расширялась с ускорением. В результате произошла инфляция, которая съела или сгладила все первоначальные образования вещества. Конечно, гипотезы о существовании инфляции уже были. Но как проверить? Я по этому поводу всегда вспоминаю мысль Бора, который сказал: если идея глубокая, то идея ей противоположная — тоже глубокая. Мысль о том, что в развитии Вселенной была инфляционная стадия, — действительно глубокая идея. Но мысль о том, что такой стадии не было, не менее глубокая. Поэтому и опровергнуть её тяжело. Значит, для доказательства инфляции надо было во Вселенной найти те «кости», которые от неё остались.
— И как же выглядят эти космологические «кости»?
Старобинский: Что такое найти в грунте кость в буквальном смысле? Это значит, что среди песка или почвы наткнуться на неоднородность. Было предположение, что такие же неоднородности со специфической структурой во Вселенной от инфляции обязательно остались. Предсказание заключалось ещё и в том, что от той инфляционной стадии должно было остаться приблизительно одинаковое количество как больших, так и малых «костей». Это следовало из максимальной симметрии начальной стадии: эти возмущения (или неоднородности) существуют во всех масштабах и их амплитуда во всех масштабах одна и та же. И это значит, что свойство этих неоднородностей можно охарактеризовать одним числом, а именно их амплитудой. Но и это ещё было грубое предсказание.
— Удалось показать большее?
Старобинский: Да, более точным было предсказание о том, что количество разных «костей» чуточку отличается, причём больших «костей» должно быть логарифмически больше, чем маленьких. Таким образом, стало понятно, что же именно нужно искать во Вселенной, чтобы проверить существование инфляционной стадии. Это привело нас от чисто теоретических рассуждений в область практических астрофизических экспериментов. И действительно, подтверждение этому было найдено. Достаточно редкий случай в астрофизике, когда теория не объясняют уже нечто открытое, а, наоборот, теория предсказывает, а ищут уже то, что эта теория предсказала. Первое, грубое подтверждение наших предсказаний астрономы получили в 1992 году в эксперименте COBE, а более точное — в эксперименте WMAP.
— Вячеслав, похожа ли ваша деятельность со Старобинским на игру в бадминтон без сетки: когда смысл в том, чтобы партнёр отбил?
Муханов: Ну конечно же! Лёша придумал хорошую модель, а мы с Чибисовым догадались, что квантовые флуктуации могут отвечать за образование структур во Вселенной, и посчитали их спектр в этой модели.
— Чем была хороша модель Старобинского?
Муханов: В предыдущей работе мы уже доказали, что для усиления квантовых флуктуаций нам нужна стадия ускоренного расширения Вселенной, но у нас под рукой не было хорошей модели, где можно было бы надёжно посчитать, какой же спектр в результате получится. Лёшина модель оказалась именно той моделью, которая нам была нужна, и позволяла посчитать детальную картину неоднородностей (флуктуаций), без которых сегодняшнего мира не было бы. Идея состояла в том, что первоначальные неоднородности, каковыми бы они ни были, полностью сглаживались на этой стадии. То, чего эта стадия не могла устранить, так это квантовых флуктуаций, существование которых неизбежно благодаря самому фундаментальному принципу квантовой физики — принципу неопределённости Гейзенберга. Мы показали, что на стадии ускоренного расширения Вселенной фундаментальные неизбежные квантовые неоднородности усиливаются ровно настолько, насколько это нужно для того, чтобы впоследствии из них получились галактики и другие структуры во Вселенной. Без них наша Вселенная напоминала бы собой пустыню.
— Так макромир и микромир оказались тесно связанными?
Муханов: Именно так. Вселенная является очень мощным усилителем, который растягивает и преобразовывает ничтожно маленькие флуктуации, существующие в микроскопических суматошных масштабах в галактики и гораздо большие структуры. То, что обычно важно в размерах атома, оказалось существенным в колоссальных масштабах. И это ещё не всё. Лёша в 1979 году сделал другое предсказание: должен быть ещё один реликт стадии ускоренного расширения Вселенной, а именно гравитационные волны с огромной длиной волны, которые могли рождаться только на этой стадии.
Старобинский: Да, мысль была такая, что, помимо спектра неоднородностей, должен быть спектр гравитационных волн. И если телескоп Plank сможет его померить и показать, то это будет драматическое подтверждение нашей инфляционной модели, последний штрих, завершающий общую картину.
— Почему ж до сих пор со стороны физиков из других областей существует ироничное отношение к космологии как к «науке о ненаблюдаемом», к «очень научной фантастике»?
Старобинский: Люди просто не следят за развитием космологии. Возможно, до исследования реликтового излучения и были основания так говорить, но после того, как открыли реликтовое излучение и флуктуации его температуры, космология стала экспериментальной наукой. Обычно в звёздах и галактиках всё более запутанно, природа более «грязная». А с реликтовым излучением ситуация намного лучше, поскольку эксперименты (наблюдения) дают нам «чистую и простую картину ранней Вселенной».
Старобинский: Другой показатель — грантодатели, которые распределяют деньги на дорогие эксперименты в астрофизике. Они смотрят не на красоту теории, а на её успех. И если сейчас в космологические эксперименты вкладываются громадные деньги, это говорит о том, что в научном сообществе к ним относятся как к нормальной науке, которая приносит отдачу.
— Вячеслав, а вы как реагируете на ироничные улыбки по поводу космологии? Вас это задевает?
Муханов: Как сказал Борис Николаевич Ельцин, когда его упрекнули в пьянстве, «почему меня должна задевать неправда?». У меня как-то в Германии была дискуссия с хорошим знакомым священником-иезуитом. Он всё время твердил «natural science» (естественные науки. — «Часкор») и «natural philosofy» (натурфилософия. — «Часкор»). Я его спрашиваю: «А что ты под этим подразумеваешь?» Он отвечает: «Вот физика твёрдого тела — это natural science, а твоя космология — это natural philosofy». Я ему говорю: «Слушай, да ты лет на тридцать отстал!» Понятно, что в 1980-х многие космологию серьёзно не воспринимали, за исключением, пожалуй, тех, кто ею сам занимался. Действительно, что мы тогда делали? По имеющимся очень немногим наблюдательным данным пытались восстановить детальную картинку прошлого нашей Вселенной. Поэтому была куча конкурирующих теорий: вихревая, энтропийная, адиабатическая. Сейчас, благодаря эксперименту, стало абсолютно ясно, какая из этих теорий правильная. В 1980-х вся космология базировалось всего на двух ключевых элементах — первичный нуклеосинтез и реликтовое излучение. Но даже этого было достаточно, чтобы нобелевский лауреат Вайнберг осознал: «Ошибка не в том, что мы слишком серьёзно относимся к своим теориям, а в том, что не воспринимаем их достаточно всерьёз». Действительно, в наше время теоретики, когда делают вычисления, довольно редко отчётливо осознают, что некоторые формулы из тех, которые они выводят, могут иметь самое непосредственное отношение к реальности.
— Когда в 1980-х годах вы писали первые работы, вы тоже относились к этому как к игре?
Муханов: Отчасти да. Было абсолютно непонятно, можно ли всё это будет проверить даже в далёком будущем. Когда появилась инфляционная космология, даже самое очевидное следствие этой теории (то, что омега — так называемый космологический параметр — должна равняться единице) противоречило всем имеющимся наблюдательным данным. Все это знали, обсуждали в кулуарах, но почему-то чётко не писали. Видимо, проблема была психологическая: не хотелось писать, что такая замечательная теория (с большой вероятностью) противоречит эксперименту.
Старобинский: Нет, это не так!
Муханов: Лёш, покажи мне хоть одно место, где было тогда написано, что это чёткое предсказание инфляции?
Старобинский: Мы уже тогда обсуждали, что есть космологическая постоянная, которая доведёт омегу до нужной нам единицы. В реальности всё было хитрее: нас подводили астрономы. Более 20 лет они не могли чётко сказать про постоянную Хаббла: она ближе к 50 или 70. Да если бы астрономы к 1980 году сказали, что постоянная Хаббла хотя бы больше 60, мы бы с ходу поняли, что омега должна быть равна единице.
Муханов: В 1980-х годах все очень хотели, но никак не могли найти никаких флуктуаций реликтового излучения. Одним из первых инициаторов их поиска в СССР был Яков Борисович Зельдович. Это было одной из целей «РАТАН-600», но флуктуаций там, к сожалению, не нашли. В итоге они были найдены в 1992 году в эксперименте СОВЕ Смутом, за что он и получил Нобелевскую премию.
— С этого и началась эпоха космологических измерений?
Муханов: Да, например, в эксперименте Boomerang (Италия — США) за небольшие, в сущности, деньги (в пределах миллиона) удалось установить плоскостность нашей Вселенной с точностью до 2% — в блестящем соответствии с предсказанием инфляции. В то же самое время совершенно независимые наблюдения удалённых сверхновых обнаружили недостающее вещество — 70% Вселенной — в виде тёмной энергии. И, наконец, в эксперименте WMAP было найдено нечто абсолютно фантастическое, а именно — его чувствительность оказалась достаточна, чтобы с большой степенью уверенности можно было заключить, что «кости» действительно немножко разные, был найден логарифмический спектр возмущений!!! Эксперимент Plank многократно увеличит точность этих измерений, и есть надежда, что будут найдены и реликтовые гравитационные волны. В результате, как я считаю, Лёше нужно будет дать Нобелевскую премию за предсказание этих волн.
— А мы будем за это болеть.
Муханов: Примечательно, что Лёша предсказал их ещё в 1979 году, до того, как появилось само слово «инфляция». Если их найдут, то уверенность в инфляционной теории будет тысяча процентов.
— То есть эру великих космологических теорий сменила эра великих космологических экспериментов?
Муханов: Я помню, что в 1980-х годах теоретические результаты сыпались как из рога изобилия. Проблема была с бумагой. Недавно ко мне Гут (Алан Гут, автор термина «инфляция») цеплялся, почему я тогда написал статью всего на четырёх страницах. И я ему не мог толком объяснить (ментальность и опыт совершенно разные), что тогда в «Письмах ЖЭТФ» нельзя было опубликовать ничего длиннее. К тому же ещё самому приходилось искать и бумагу, платить за эту бумагу и печать из собственной аспирантской стипендии. Поэтому писать длинные статьи не очень-то и хотелось. С другой стороны, если есть начальная формула и конечный результат, этого вполне достаточно, чтобы понять всё остальное. А сколько кому надо для этого времени, зависит от квалификации. Зельдовичу, например, было достаточно посмотреть на конечную формулу и с помощью каких-то своих непонятных соображений воспроизвести её в рекордно короткие сроки.
— Он был интуитивист?
Муханов: Да, физик с феноменальной интуицией. Это невозможно объяснить людям, которые надрессировались считать, но у которых отсутствует интуиция. В отсутствие эксперимента мнение Зельдовича нам его заменяло.
— А сейчас, когда эксперименты вышли на новый уровень, интуиция всё равно нужна?
Муханов: Нужна. Я помню, как в 2003 году на нобелевском симпозиуме было устроено голосование, что более важно — померить отклонение омеги от единицы (и тем самым опровергнуть инфляцию) или найти логарифмический спектр и тем самым доказать инфляцию. Всем почему-то хотелось экзотики, и все голосовали против меня — за отклонение омеги от единицы.
Старобинский: Я голосовал за тебя.
Муханов: Ещё бы, ты-то понимал, о чём речь! Ну и через три года этот спектр был найден, но, конечно же, как всегда в эксперименте, в пределах экспериментальной погрешности, которая характеризуется таким понятием, как сигма. Я написал одному из руководителей WMAP Лайману Пэйджу: «А сколько собственных денег вместо сигмы ты мог бы поставить на этот результат?» Ну и когда в ответ я получил «много тысяч», я понял, что это действительно серьёзно. Как выразился Лайман, «this result has blown up my mind» (этот результат взорвал мой мозг. — «Часкор»).
— С какой скоростью в космологии меняются парадигмы?
Старобинский: У нас теперь всё лимитируется развитием эксперимента. Скажем, выбор между разными классами моделей Вселенной меняется не чаще чем раз в 10 лет. Инфляция, космологическая постоянная, тёмная материя — все они возникли в течение 30 лет (по 10 лет на каждую).
— А как вы относитесь к прогнозам, предсказывающим конец науки? Вот, мол, космологи уже близки к тому, чтобы всё понять. На этом фундаментальные науки и закончатся. И как, по-вашему, близки ли вы к концу познания?
Старобинский: Этим даже не пахнет. Ведь всё, что мы рассказывали, относится только к последней стадии инфляции. А теперь мы ищем способ показать, что было в начале, до неё, сколько она длилась. Но и это ещё не всё. Успех описания нашей Вселенной дал толчок к тому, чтобы понять, что происходит в соседних вселенных.
— А что вы думаете про результат Линде с Ванчуриным, которые подсчитали количество возможно существуемых вселенных и количество вселенных, возможных для наблюдения человеком?
Старобинский: Ответ такой: мы над этим думаем. Тематика интересная, но сам результат я бы назвал математически нестрогим. Я частично с ним согласен, частично нет. Так и в этой теории мультивселенных надо дойти до такой же степени строгости, какая была достигнута в инфляционной теории.
— Но для обычного человека это совершенно потрясающий результат. Он же показывает, что ограниченность количества вселенных зависит не от свойств мультивселенной, а от того, кто ведёт подсчёт. Это же ответ на вопрос о конце познания: «Сколько я могу понять? А вот сколько».
Старобинский: Так уже древним грекам был известно, что число простых чисел бесконечно. Надо взять любое количество простых чисел, их все перемножить и прибавить один. Так вот, к числу Линде можно также всегда приписать один, и это будет новое и большее число, которое легко понимается.
Есть надёжная арифметика, с помощью которой мы каждый день считаем доходы, однако её следствием являются Канторовы числа и Гёделевы противоречия. То же самое и здесь: следствием нашей инфляционной теории оказываются представления о существовании других вселенных.
Муханов: Лёша, но мы же не знаем, как их считать.
Старобинский: Ну, у Славы критическое отношение к этому. А я, наоборот, считаю, что мы не можем отбросить следствия того, что для нас очевидно. В данном случае следствием того, что мы описываем приближённую однородность наблюдаемой Вселенной, оказалось то, что она чудовищно сложна в сверхбольших масштабах. И последовательная разработка той же теории возмущений привела к так называемой стохастической инфляции, на основе которой Андрей Линде и строит расчёты.
Уже из расчётов Муханова и Чибисова, в которых считалось, что неоднородности малы, вытекало, что в очень больших масштабах, из-за того самого логарифмического роста, о котором Слава говорил выше, это приближение становится неверным и нужно учитывать все нелинейные эффекты. Оказалось, что, несмотря на крайнюю сложность такой задачи, её можно решить, что я и сделал в 1984 году, разработав стохастический подход в теории инфляции. А на его основе Андрей Линде и сделал вывод о «вечной» инфляции (это уже 1986 году), который (как я полагаю) нужно понимать в таком же общефилософском смысле, как и тезис о вечности материи. Где-нибудь в пространстве и где-нибудь во времени всегда можно найти миры («вселенные»), находящиеся на инфляционной стадии.
И поэтому сейчас полностью исчезли иллюзии о возможности однократного божественного сотворения мира. Это было ещё как-то возможным, когда все думали об одном Большом взрыве как о рождении одной Вселенной. А сейчас, когда мы понимаем, что таких вселенных и больших взрывов бесконечное количество, то становится невозможно обсуждать сотворение всего этого единым богом.
— Зато это хорошо объясняет, почему у людей много богов.
Старобинский: В принципе да.
— А для вас — конкретного человека Алексея Старобинского — это тоже отменило вопрос о едином боге?
Старобинский: Так я и раньше никогда не верил, что Вселенная одна. Я всё время считал, что их много. Я ещё 30 лет назад писал в энциклопедии о том, что вполне мыслимо думать о существовании других вселенных.
— Вячеслав, а для вас Вселенная одна?
Муханов: Для меня — одна. Хотя что значит Вселенная? Это же зависит от определения. Вы к чему клоните? Верю ли я в то, что я исключительное и уникальное существо во всей Вселенной? Ни в коей мере! Я убеждён, что таких, как я, бесконечно много. Но вообще-то нас чёрт знает куда занесло.
Старобинский: Ведь есть ещё идея Виленкина о том, что если вселенных бесконечное множество, то, значит, где-то существует полностью такой же мир, как наш. Я считаю её ошибочной. На эту тему есть научно-фантастический роман, где существуют другие миры и герой может переселяться в тела других людей. И он теряет своё тело и вынужден скитаться в поисках его. И роман кончается так: вот я наконец нашёл мир в точности такой же, как наша Земля. И как тут приятно жить, особенно когда зимой деревья переселяются из нашей местности в другую. То есть мир якобы похожий. Я даже не то хочу сказать, что такого мира не может быть, а то, что его невозможно будет узнать.
Муханов: Чёрт, как с тобой всё сложно!
— Возвращаясь к аналогии с археологией, в космологии свои Фоменко есть?
Старобинский: Сколько угодно! Авторы так называемых альтернативных теорий даже в очень приличных университетах работают. Нам постоянно приходится вести борьбу и с академиками, и с директорами институтов.
— Но ошибаться — это нормально?
Старобинский: Разница в том, что настоящий учёный, которому укажут на ошибку, с этим соглашается. А многие, к сожалению, начинают увёртываться: «Ну, я сделал мелкую ошибку, пусть тут меня исправят ребята, а у меня вот возникла новая гениальная идея…» Причём те, кто критикует одних за необоснованную теорию, потом вдруг сами становятся одержимыми больными идеями. Из чего следует: «заболеть» может каждый. Важно, чтобы было экспертное сообщество, которое может тебя «вылечить».
Беседовала Ольга Орлова
ОТПРАВИТЬ:
| Читать @chaskor |
Статьи по теме:
- И на Титане будут яблони цвести?
Астрономы представили рейтинги обитаемости планет и лун. - Dome под звёздным небом.
12 июня в Москве после 17 лет забвения откроется главный планетарий страны. - Столкновение миров.
Наша Вселенная, возможно, не одинока. - Семь тайн космоса.
Их раскрытие приведёт к революции в науке. - Константы оказались переменными.
Человечество, видимо, появилось вовремя и в нужном месте. - Британские ученые установили….
Во второй части трилогии Хокинга тайное становится явным, а Вселенная предстаёт перед космическими путешественниками во всей красе.
