Как начиналось Мироздание? Это чрезвычайно интригующий вопрос. Хотя и несколько провокационный. Потому что если было начало, значит, до этого не было ничего.
А такое вряд ли возможно. Значит, что-то было. Но что? И что было потом? А можно ли понять, что будет дальше?.. Учёные, к числу которых относится наш собеседник, убеждены, что наука может продуктивно работать над ответами на подобные вопросы, не привлекая к помощи метафизику.
Всемирно известный физик-космолог, ведущий отечественный специалист по квантовой теории поля, главный научный сотрудник Института ядерных исследований РАН, академик РАН Валерий Анатольевич РУБАКОВ говорит, что в последние годы его основным увлечением стала ранняя Вселенная.
- Валерий Анатольевич, так что же было в начале?
- Когда мы говорим «ранняя Вселенная», то подразумеваем состояние, которое очень сильно отличалось от нынешнего. Сегодня у нас есть звёзды, галактики, планеты, наша Земля. Между ними достаточно пусто, холодно, температура равняется примерно 2,7 градуса Кельвина (-270,45 по Цельсию). А раньше, как мы знаем, Вселенная была горячей, вещество в ней было плотным, и никаких галактик в помине не было. Вещество было распределено одинаково равномерно.
Примерно полвека назад стало известно, что существует реликтовое излучение. Что это такое? Мы знаем, что горячие тела излучают. Лампочка накаливания излучает свет, горячий чайник на плите излучает волны в инфракрасном диапазоне. Так вот, у Вселенной была ситуация, когда вещество было очень горячим, из него точно так же исходило электромагнитное излучение, которое дошло до наших дней. Это и есть реликтовое излучение.
Как известно, при очень высоких температурах электроны и протоны разваливаются, и образуется особая среда - плазма. Пока вещество было в плазменном состоянии, для этого электромагнитного излучения плазма была непрозрачной. А когда плазма расширилась и остыла примерно до 3000 градусов, вместо свободных электронов и протонов появились атомы водорода. Так и возникли первые атомы. Их было мало - примерно 250 штук в кубическом сантиметре. Тот разреженный газ был прозрачен для электромагнитного излучения. И такое излучение до нас дошло. Правда, его температура на порядки ниже, чем была тогда. Это произошло за счёт того, что Вселенная расширяется, пространство растягивается, увеличивается длина волны, что соответствует более низким энергиям и, соответственно, температурам.
Открытие реликтового излучения стало прорывом в космологии, благодаря чему стало ясно, что ранняя Вселенная была горячей. До этого предполагали, что, может быть, она была плотная, но холодная. Но выяснилось, что горячая стадия была, и там царили температуры порядка 10 миллиардов градусов. Теперь это экспериментальный факт, не оставляющий сомнений.
- Но ведь при таких температурах происходят термоядерные реакции, как на нашем Солнце?
- Совершенно верно. Это процессы, в результате которых образуются ядра гелия. Это была эпоха термоядерных реакций, когда образовался целый ряд ядер таких элементов, как дейтерий, литий и гелий. Их образование, оказывается, можно предсказывать на основании того, что мы знаем о расширении Вселенной. Всё это даёт нам знание Общей теории относительности, ядерной физики. Мы можем совершенно точно посчитать, сколько и каких элементов должно наблюдаться при таких температурах. Можно это также наблюдать и сравнивать наблюдение и теорию. И тут есть полное согласие, в результате чего нам совершенно очевидно: была горячая Вселенная и сверхвысокие температуры.
Но когда стали изучать реликтовое излучение, появилось множество вопросов, на которые невозможно было ответить, если считать, что горячая стадия была самой первой. Это один из важнейших вопросов космологии и вообще естествознания. Мы знаем, что есть галактики, скопления галактик, которые представляют собой неоднородности пространства. Они были всегда, во всяком случае, до горячей стадии - в противном случае они бы не образовались.
- Каким образом это выяснилось?
- Это проявляется в свойствах реликтового излучения. Его температура зависит от направления - где-то она больше, где-то меньше. Это потому, что где-то вещества было больше, плотность его была выше, и температура, соответственно, выше. А где-то меньше - там ниже. Эти эффекты были обнаружены только в 90-х годах прошлого века, то есть, можно сказать, недавно. За это открытие была присвоена Нобелевская премия.
Оказывается, по тому, как температуры распределены «по небу» (разумеется, с точки зрения земного наблюдателя), можно многое сказать о том, как устроены неоднородности во Вселенной. Исследуя их свойства, мы узнаём: они образовались ещё до горячей стадии. Сейчас уже нет сомнений в том, что была стадия, на которой образовывались эти первичные неоднородности, а из них потом - галактики, скопления галактик, мы с вами. И всё это произошло на очень ранней стадии, которая предшествовала стадии горячей Вселенной.
- 14 миллиардов лет назад, по мнению большинства исследователей, произошёл Большой взрыв. Что это такое? Как он выглядел? Существует ли здесь единодушие, или учёные до сих пор спорят на сей счёт?
- С Большим взрывом далеко не всё понятно. Что такое Большой взрыв в классическом понимании? Это сингулярность, которую обычно описывают как состояние бесконечной плотности и бесконечно высокой температуры вещества… На уровне классической физики - это бесконечная плотность энергии, бесконечный темп расширения; такая сингулярная ситуация таит в себе немало парадоксов, которые, наверное, разрешаются в рамках квантовой физики, где действуют совсем другие законы. И всё же это какое-то пока ещё не описанное состояние пространства, времени, материи.
Но совсем не обязательно, что это представление правильное, что действительно в начале Вселенной произошёл взрыв, и всё стартовало с такой космологической сингулярности. Построены разные варианты - например, что Вселенная могла стартовать, наоборот, сжимаясь. Или это циклический процесс: расширение - сжатие. И тогда в сингулярность Все ленная никогда не попадает. Сжатие останавливается, начинается расширение. При этом сделать теоретические модели, которые были бы самосогласованны, очень непросто. И вот только сейчас появляются теории, в которых такое возможно. Они очень сильно отличаются от того, к чему мы привыкли.
Но, как бы там ни было, давайте предположим, как считалось долгие годы, что горячая стадия была самая первая. За прошедшее с тех пор время свет пролетел известное расстояние - примерно 45 миллиардов световых лет. А к тому моменту, когда образовалось реликтовое излучение, этот размер был существенно меньше. Это масштаб примерно миллиона световых лет.
Если мы находимся в горячей Вселенной, никаких больших масштабов быть не может. Мы находимся как бы внутри светового конуса, внутри которого разворачивается вся физика мира. При этом мы знаем, что были большие неоднородности, это экспериментальный факт, следующий из свойств реликтового излучения. Они были небольшие по амплитуде, но по размеру они были гигантские. И они никак не могли образоваться в горячей Вселенной. Это противоречило бы принципу причинности.
Как же тут быть? Ответ может быть только один: реликтовое излучение образовалось раньше, до горячей стадии. Из этого мы вновь делаем вывод, что горячей стадии предшествовала другая. Мы не знаем наверняка, была ли она самой первой или до этого было что-то ещё, но знаем, что горячая стадия первой не была.
Всё это означает, что теория Большого взрыва требует если не отмены, то серьёзного пересмотра. Ведь именно эта, более ранняя стадия, отвечает за все наши неоднородности - за галактики, скопления галактик и за нас с вами. Мы все оттуда родом.
- Насколько известно из классической теории, в самые первые мгновения после Большого взрыва темп расширения Вселенной был очень высоким, а потом замедлился. Почему так произошло?
- Действительно, была эпоха, когда расширение Вселенной было таким, что все расстояния за секунду удваивались. Представьте себе - сейчас вы здесь, а через секунду уже находитесь в дальнем углу. Пространство стремительно растягивалось. «Шарик» раздувался бешеными темпами! Сейчас это происходит гораздо медленней. Удвоение расстояний произойдёт за десяток миллиардов лет.
Но Вселенная начала расширяться с ускорением не сразу, а сравнительно недавно - всего шесть-семь миллиардов лет назад. Это удивительно, но также является фактом наблюдательной космологии. Причём сегодня нам твёрдо известно, что скорость расширения Вселенной всё время растёт. Это, конечно, не означает, что когда-нибудь она станет такой, как в первые секунды после Большого взрыва, и нас с вами разорвёт на части. Время, за которое удваивается расстояние, в обозримом будущем будет более-менее постоянной величиной. Если раньше относительный темп расширения был гигантским, то сейчас он вышел на постоянное значение, и все расстояния будут увеличиваться потихонечку - в два раза за 10 миллиардов лет. Но, тем не менее, они будут увеличиваться, и в этом смысле мы будем всё дальше друг от друга.
Так вот, если поначалу Вселенная разгонялась, то на горячей стадии темп расширения Вселенной замедляется. Это вполне понятно: гравитационное взаимодействие пытается замедлить этот разлёт вещества. Всё это вполне соответствует решению уравнений Общей теории относительности.
Объяснить всё это помогает теория космической инфляции. Это пока только теория, но имеющая уже довольно много доказательств. В частности, мы видим, что за очень короткие промежутки времени, за мельчайшие доли секунды свет успевает пролететь громадные расстояния. Это происходит из-за растяжения Вселенной. Такое быстрое, экспоненциальное расширение Вселенной и есть космическая инфляция. Всё это говорит о том, что некогда во Вселенной было совершенно другое вещество - однородное и не горячее, но пригодное для того, чтобы такой режим эволюции мог появиться.
- Правда ли, что большую роль в становлении теории инфляции сыграли наши соотечественники?
- Да, это так. В частности в работах Алексея Старобинского и Вячеслава Муханова дано убедительное объяснение крупномас-штабной структуры Вселенной с помощью квантовых флуктуаций. За эту работу российские физики были удостоены престижной премии Грубера 2013 года.
Что это за флуктуации? Когда-то в школе нас учили, что вакуум - это пустота. Сегодня мы знаем, что на самом деле вакуум не простая и совсем не пустая среда. Там присутствуют разные поля, которые вызывают возмущения. Все поля в природе флуктуируют. Например, флуктуации электромагнитных полей взаимодействуют с электронами в атоме. Результатом таких взаимодействий являются наблюдаемые эффекты, рассчитанные с большой точностью. Так вот, если у вас есть быстро растягивающееся пространство, эти флуктуации могут многократно усилиться, и тогда они станут довольно большими по амплитуде. Это усиление, скорее всего, и ответственно за то, что у нас появились неоднородности. Мы с вами - далёкие потомки вакуумных флуктуаций полей, которые были на ранней стадии нашей Вселенной.
Но стадия инфляции с экспоненциальным расширением однажды должна была закончиться, а освободившаяся в результате колоссальная энергия пошла в тепло. Так началась горячая стадия. Как именно произошёл этот переход от инфляционной стадии к горячей, пока неизвестно. Но теоретически понятно, что всё это могло происходить, и теория инфляции отлично сопрягается с теорией горячей Вселенной и теории Большого взрыва не противоречит.
- Но ведь есть и другие теории?
- Те наблюдательные факты, которые мы фиксируем (то есть попросту видим), можно описывать событиями не обязательно инфляционными, хотя теоретически это не так красиво. В принципе могло быть такое, что вместо фазы расширения Вселенная начинала свою эволюцию с «отскока», когда она, наоборот, сжималась, потом остановилась, а уже затем перешла на стадию расширения. Модели с отскоком тоже существуют, и они тоже способны объяснить свойства первичных неоднородностей.
Мы понимаем, что не можем рассуждать обо всей Вселенной, а только о видимой нами части. Хотя в своих фантазиях можно пытаться заглянуть и за горизонт наших возможностей, представить, что Вселенная столь огромна, что законы взаимодействия в разных её частях могут быть совершенно разными, и то, что наблюдаем мы, совсем не обязательно распространяется на всю Вселенную. В этой картинке становится понятным, что мы с вами тоже являемся некой экспериментальной моделью и находимся именно там, где есть условия для нашего существования. Мы находимся на Земле, а не в произвольной точке космического пространства, где мы жить не смогли бы.
По этой логике можно вообразить себе такие части Вселенной, где возникновение жизни (во всяком случае, жизни, подобной нашей) в принципе невозможно. Скажем, всё вещество там сразу распадается на кванты электромагнитного поля, на фотоны. А из них никакого материального объекта не создашь.
Если это так, возникает ряд увлекательных, но сложных вопросов. Например, находимся ли мы в типичном месте во Вселенной или в таком, где созданы специальные условия для нашего существования? Ясно, что ответа на эти вопросы у нас нет. Хотя есть учёные, которые пытаются доказать, что мы находимся в совсем нетипичном месте, а типичное выглядело бы так, будто там совершенно случайным образом атомы сложились в некий мозг, который просуществовал бы очень недолгое время. Его называют больцмановский мозг, в честь Людвига Больцмана, внёсшего большой вклад в развитие статистической физики.
Такой мозг - гипотетический объект, возникающий в результате флуктуаций в какой-либо системе и способный осознавать своё существование. Сказать, существует ли он, мы не можем. Сегодня у нас нет данных, неопровержимо свидетельствующих о том, что в разных частях Вселенная различна - во всяком случае, если речь идёт о видимой её части. Если взять и усреднить по сравнительно небольшим объёмам, скажем, миллиард световых лет, она выглядит примерно одинаково. Остальное - домыслы.
Не менее увлекательна теория отщепляющихся от нашей мини-вселенных, а может быть, наоборот - наша Вселенная появилась как дочерняя, отщепившись от чего-то ещё. Такие возможности мы с коллегами обсуждали, писали красивые формулы, рисовали графики. Всё это, конечно, очень интересно и вроде бы вполне возможно, но важно понимать, что всё это пока теории.
- Возможно ли, что космология станет практической наукой?
- Это и происходит сегодня. Сегодня космология становится всё менее умозрительной наукой и всё меньше нуждается в домыслах и фантазиях. Хотя, конечно, фантазии для учёного - это всегда важно. Главное - не забывать об эксперименте.
Космология как настоящая экспериментальная наука, имеющая сегодня массу наблюдательных данных высочайшего качества, возникла всего-то 25 лет назад. До этого данные были очень скудные, телескопы не могли проникнуть во все уголки видимой части Вселенной. Сегодня технический прогресс таков, что мы видим огромную её часть, она детально изучена, есть карты Вселенной. Это задача потрясающая, невообразимая ещё недавно. Про то же реликтовое излучение сегодня мы знаем очень много, а лет двадцать назад мы не знали почти ничего. Сегодня у нас есть качественная карта температур реликтового излучения на небесной сфере. Фантастический технический прогресс произошёл в этой области за последние годы, и именно благодаря ему мы понимаем, как Вселенная развивалась, какие у неё были начальные условия. Думаю, в ближайшие годы нам предстоит сделать ещё немало важных открытий, которые прольют свет на тайны сущего и позволят лучше понять, как устроена наша Вселенная.
Беседовала Наталия ЛЕСКОВА
Источник «НиР» № 3, 2021