Ведущий научный сотрудник лаборатории теории фундаментальных взаимодействий ФИАН А.О. Барвинский.
Источник фото: Янина Хужина / «Научная Россия»
За последние десятилетия ученым удалось значительно продвинуться в понимании устройства мироздания и заглянуть в самое начало формирования Вселенной. Только если раньше точкой отсчета называли момент Горячего Большого взрыва, то сегодня все чаще говорят о стадии инфляции, которая предшествовала ему. О том, как зарождалась наша Вселенная, мы поговорили со специалистом по квантовой гравитации и космологии — Андреем Барвинским.
Справка. Андрей Олегович Барвинский — доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории теории фундаментальных взаимодействий ФИАН, специалист по квантовой гравитации и космологии
― В разговоре с одним из физиков я услышала слова: «Большой взрыв — это не начало Вселенной, а конец инфляции». Что это за загадочная инфляция, которая сегодня претендует на звание полноценной теории, объясняющей то, что происходило до Горячего Большого взрыва?
― В 80-х годах прошлого века сменилась парадигма в представлении о том, какова была история очень ранней Вселенной. До этого считалось, что начало Вселенной происходило от так называемого Большого взрыва: состояние, которое характеризовалось бесконечными значениями очень многих параметров, таких как температура, давление, плотность энергии и т.д. Это была стандартная модель развития Вселенной, внутренне противоречивая модель. Из-за этих противоречий в начале 80-х годов было высказано предположение, что на самом деле история Вселенной началась не с Большого взрыва, а с предыдущей эпохи, которая получила впоследствии название Инфляция. То есть представления изменились на кардинально противоположные. В Теории Инфляции начальное состояние Вселенной на самом деле описывается вакуумом (то есть состоянием как гравитационного поля, так и других материальных полей, заполняющих Вселенную) с нулевой энергией, с нулевой температурой: самое низшее состояние вещества и материи во Вселенной, если отсчитывать по масштабу энергии.
«Вакуум — это состояние поля или состояние вещества. Такое состояние не является мертвым, отсутствием чего бы то ни было. Согласно квантовой теории поля, там всегда существуют так называемые нулевые вакуумные флуктуации (прим.: флуктуации — колебания, случайные отклонения от среднего). И вот было высказано предположение, что на самом деле формирование эволюции Вселенной начиналось из вакуумного состояния»
Развитие и динамика упомянутых флуктуаций в конечном итоге привели к формированию крупномасштабной структуры Вселенной. То есть Инфляционная стадия, которая начинается из такого квантового состояния материи и гравитационного поля, приводит к формированию всей наблюдаемой крупномасштабной структуры Вселенной. Пионерский вклад в развитие подобных идей внесли Алексей Старобинский (сотрудник Института теоретической физики им. Л.Д.Ландау), Вячеслав Муханов (в прошлом сотрудник Института ядерных исследований, а ныне профессор Университета Людвига-Максимилина в Мюнхене) и ныне ушедший Геннадий Чибисов (в прошлом сотрудник Теоретического отдела ФИАН), а также Андрей Линде (в прошлом также сотрудник Теоретического отдела ФИАН, а ныне профессор Стэнфордского университета).
― Инфляция подразумевает экстремально быстрое расширение Вселенной, которое и зажгло тот самый «космический огонь», породив Большой взрыв. А что послужило начальным условием?
― В настоящее время существует несколько моделей, описывающих начальные условия появления Инфляции. Стадия происхождения Инфляции является еще более гипотетической, чем сама Инфляционная модель, в отличие от Большого взрыва, который сегодня — уже неоспоримый факт.
«Предполагается, что вакуум (как состояние) не появился откуда-то, а был задан в качестве начального условия. Другой вопрос, а как обосновать появление таких изначальных условий? Существуют три фундаментальных модели: волновая функция Хартла – Хокинга, модель туннелирующей волновой функции Вселенной (эту идею придумал Александр Виленкин, будучи сторожем Харьковского зоопарка, сейчас он профессор Университета Тафта в Бостоне) и замена чистого квантового состояния Вселенной на ее матрицу плотности (понятие матрицы плотности было введено на заре существования квантовой механики Львом Ландау)»
Именно последнюю идею я считаю наиболее продуктивной. В чем ее суть? Может существовать особый класс квантовых состояний физических систем, который описывается матрицей плотности. Исходя из этого, можно сформулировать начальное состояние Вселенной в виде матрицы плотности, это предложение не требует никаких дополнительных ограничительных принципов: то есть здесь, в отличие от, скажем, идеи Хартла – Хокинга, не требуется выбирать какое-то конкретное вакуумное состояние. Здесь начальным состоянием Вселенной было что-то вроде "белого шума", когда с равной вероятностью вносили вклады все возможные состояния физической системы, это гипотеза о равнораспределении, когда система находилась одновременно в самых разных состояниях, а не только в вакуумном. В ходе динамической эволюции этой системы могут выделяться какие-то отдельные состояния, из которых в итоге можем появиться и мы с вами.
Схема расширения Вселенной. Источник фото: NASA.
― Пространство-время появилось вместе с Большим взрывом или раньше?
― Здесь можно вспомнить о концепции, которая на самом деле существовала и у древних теологов, таких, например, как Блаженный Августин, который предположил, что наша Вселенная родилась не во времени, а появилась одновременно с возникновением понятия времени. Идея туннелирования Вселенной из классически запрещенного состояния, о чем я упоминал выше, в каком-то смысле говорит о том, что само понятие времени является частью проблемы начальных условий. Понятие пространства-времени безусловно применимо и к Инфляционной стадии, предшествующей Большому взрыву, иначе мы бы не смогли описать эту стадию. То есть понятие пространства-времени возникает вместе с появлением Вселенной как таковой. Синонимом как туннелирующей волновой функции, так и волновой функции Хартла – Хокинга, является происхождение Вселенной из точки (которая геометрически описывается вполне определенным образом), она является началом отсчета времени, которое сначала являлось мнимым (или Евклидовым), но в какой-то момент стало вещественным.
― Теорию инфляции можно подтвердить экспериментально?
― Даже сегодня она уже подтверждается экспериментально с большой степенью точности, но есть один качественный скачок, который ждет современную прецезионную космологию: чтобы добиться окончательного подтверждения инфляции, нужно уметь разделить в инфляционных спектрах вклады двух сущностей: скалярные возмущения и гравитационный вклад.
Карта микроволнового реликтового излучения по данным спутника WMAP. Цветом показано отличие от средней температуры.
Источник фото: space.mit.edu
― То есть гравитация снова становится камнем преткновения?
― Я бы так не сказал. Просто дело в том, что амплитуда гравитационного сигнала намного меньше, чем вклад амплитуды скалярного возмущения, связанного с неоднородностями плотности энергии начальной Вселенной. В будущем ученым предстоит измерить вклад гравитационного сигнала в реликтовое излучение, фотоны которого несут на себе отпечаток Инфляции: первичные неоднородности на стадии инфляции, которые породил вакуум, мы можем видеть в том самом реликтовом излучении, открытом в 1965-м году.
― Что вас, как ученого, больше всего удивляет в свойствах Вселенной?
― То, что инфляция и космологическое расширение, позволяют объединить явления, принадлежащие к совершенно различным масштабам энергий: можно установить связь между микроструктурой материи (например, размером меньше, чем ядро атома) и явлениями крупномасштабной структуры Вселенной (одна десятая доля всего размера наблюдаемой части Вселенной); или, например, установить связь между массой Хиггсовского бозона, с одной стороны, и амплитудой и спектром реликтового излучения.
«Инфляция ― колоссальный микроскоп, позволяющий смотреть как внутрь микроструктуры вещества, так и на макроструктуру Вселенной, и устанавливать между ними связь»
― Представьте, что вам удалось встретиться со Вселенной с глазу на глаз и задать ей только один вопрос. О чем бы вы спросили?
― Я бы спросил, верна ли идея матрицы плотности Вселенной.
― И, если она верна, то была бы решена загадка начальных условий появления Вселенной?
― В существенной степени да! Эта концепция, альтернативная как волновой функции Хартла-Хокинга, так и туннелирующей волновой функции, мне очень нравится. Она позволяет в духе философской бритвы Оккама отказаться от лишних посылок в системе первопринципов теории и, основываясь на принципе универсального равнораспределения, прийти к интересным физическим выводам. В частности, эта концепция на новом уровне, как отрицание отрицания, возрождает идею Большого Взрыва, предшествовавшего Инфляции, но (в отличие от старого его понимания) характеризующегося конечными значениями физических параметров (таких как температура, плотность энергии и т.д.) и поэтому рационально объяснимыми в рамках математики. Как говорил создатель квантовой теории Поль Дирак: «Физический закон должен быть математически прекрасен».
