Наша всесвіт все набагато складніше, ніж ми думали
Наш Всесвіт: "Все набагато складніше, ніж ми думали"
Не встиг в повну силу запрацювати Великий адронний коллайдер, а вчені вже думають про будівництво установки в сім разів могутніше. Фізики переконані: ми на порозі відкриттів, які докорінно змінять уявлення про світобудову. Один з них - академік Олексій Старобинский
Олена Кудрявцева: Олексій Олександрович, як відкриття у фундаментальній фізиці, на ваш погляд, змінять наші уявлення про будову Всесвіту?
Олексій Старобинский. Космологія складається з двох частин. Перша вивчає Всесвіт яка вона є зараз, з чого складається. А друга - історію Всесвіту. Відповідно, мова про різні завдання. У космології сучасному Всесвіті це питання про двох нових видах об'єктів, так званої темної матерії і темної енергії. Наше завдання їх виявити, вивчити і подивитися, як вони взаємодіють з видимою матерією, оскільки за астрономічними даними ми вже знаємо, що вони вносять основний внесок в повну (тобто совокупную.- "О") щільність матерії.
- Але ми хоча б можемо сказати, що це таке?
- Темна матерія - це щось складається з частинок, подібних знайомим нам протонам, нейтронам і електронів. Але при цьому темна матерія зі звичайними частинками не взаємодіє і тому до сих пір не виявлено в наземних експериментах. А ось темна енергія - це, навпаки, щось складається не з частинок, щось вакуумоподобной, розмазати по простору.
- За різними оцінками, частка темної енергії і темної матерії доходить до 70-80 відсотків від загального обсягу Всесвіту. Виходить, ми не сильно просунулися в пізнанні.
- Більш того, повертаємося до дискусії порядку двотисячолітньої давності між Платоном і Демокрітом. Демокріт був прихильником нової теорії, тобто вважав, що світ складається з частинок. А Платон, навпаки, був прихильником того, що світ - це щось таке аморфне, однорідне. Сьогодні виявляється, що вони в якомусь сенсі обидва мають рацію, тільки мова йде про різні види матерії. Темна матерія ближче до того, що думав Демокріт, а темна енергія - до того, що думав Платон.
- Коли говорять про те, що потрібно досліджувати темну матерію і темну енергію, що мають на увазі? Поки ж ні те, ні інше навіть не виявлено!
- Чи не виявлено, але в їх дослідженні ми досягли досить великого прогресу. Що значить досліджувати властивості відомих частинок? Це означає, що треба виміряти їх заряд, що діють електромагнітні сили, тиск. Тут же ми самі частинки не бачимо, а вивчаємо їх по їх гравітаційній взаємодії. Знаючи, чим створюється за сучасними уявленнями гравітація, ми можемо порахувати і щільність, і масу, і тиск. Тобто наше основне завдання зараз - уточнювати рівняння стану темної матерії і темної енергії. З такою космологічної точки зору вони не зовсім загадкові. Наприклад, ми вже зрозуміли, що темна матерія складається з майже бесстолкновітельних (тобто тих, що практично не взаємодіють один з другом.- "О") частинок.
- А що ми знаємо про темну енергію? Як її-то "помацати"?
- Ми знаємо, що вона дуже близька до запропонованої Ейнштейном космологічної постійної (тобто до вакууму.- "О"). За Ейнштейну, космологічна стала - це такий специфічний вид матерії, у якій тиск негативно. Уявіть собі натяг, як в розтягнутій гумці, тільки воно спрямоване на всі боки, і воно дуже велике. Хоча я впевнений, що темна енергія - не їсти абсолютно точно космологічна стала, зокрема, тому що вона нестабільна - це не обов'язкова, але природне очікування. А якщо це так, то було б чудово піти далі Ейнштейна і знайти якісь ознаки її розпаду на видиму матерію. Якщо такі процеси вдасться виявити, це буде вихід на колосальний джерело енергії.
- Добре, а що дають ці рівняння для розуміння Всесвіту?
- Ми зможемо відповісти, нарешті, на один з найзагадковіших питань: як пов'язані ці два нових види матерії з уже відомими видами? Поки відповідь "ніяк", але він нікого не задовольняє, тому і ведуться масштабні експерименти з виявлення частинок темної матерії як в наземних умовах, так і в космосі. За теоретичними уявленнями, якась взаємодія все-таки має бути.
- Будівництво детекторів для реєстрації таких часток - справа трудомістка, враховуючи, що їх поміщають то глибоко під землю, то під товщі води. І у всіх експериментах поки повна тиша.
- Ми гарантуємо експериментаторам, що ці частинки повинні врешті-решт відкрити. За нашими оцінками, вченим не вистачає точності в один-два порядки. Крім того, крім експериментів на Землі є спостереження за її межами за допомогою супутників. Якщо в земних експериментах ми можемо визначити, як частинки, що становлять темну матерію, реагують зі звичайними частинками, то за астрономічними даними можна зрозуміти, як вони взаємодіють один з одним. Вони можуть взаємодіяти сильніше. На сьогоднішній день в цьому напрямку ведеться велика експериментальна програма.
14 мільярдів років тому
- Які ж завдання стоять перед тією частиною космології, яка вивчає історію Всесвіту?
- Потрібно йти далі в минуле Всесвіту. Зараз ми досить багато знаємо про інфляційну стадії (стан розширення Всесвіту до Великого взрива.- "О"). Але ми знаємо про її кінці, а було б бажано зробити наступний крок і піти до її початку, визначити її тривалість.
- Ви говорите про тривалості. Тоді що ж мається на увазі, коли говорять, що інфляційна стадія вічна?
- Ці слова не треба розуміти буквально. Вони означають, що завжди десь в іншому місці простору і навіть в якомусь сенсі і в іншому часі можна знайти інфляцію. Попросту кажучи, весь час десь народжуються нові всесвіти - нові шматки простору і часу. Але ось конкретно для нашого Всесвіту, на нашій світової лінії, продовженій в минуле, інфляційна стадія тривала кінцеве час. І було б дуже цікаво виміряти цей час і зрозуміти, що було раніше, які первинні умови існували на початку інфляції, і ще бажано зрозуміти, що ж все-таки було до неї. Тобто ми хочемо зробити ще один крок в минуле.
- А які є варіанти того, що було до інфляційної стадії?
- Є різні моделі, але вони поки на папері - немає ясного передбачення для експерименту і спостережень: що потрібно робити, що шукати. Це один з напрямків нашої роботи. Є кілька основних можливостей. Перша - це те, що ми називаємо відскік. Тобто до розширення було стиснення, була якась Всесвіт, схожа на нашу, а може, і не схожа, з низькою щільністю. Вона стискалася, а потім з якоїсь невідомої причини уникла сингулярності (тобто стану напередодні Великого взрива.- "О"), і стиснення змінилося розширенням. Друга можливість така, що раніше наш Всесвіт не існувала сама по собі, а була частиною якоїсь Сверхвселенной, частиною чогось ще більш складного.
- Коли ви говорите про кроки в минуле, це як?
- Ми шукаємо артефакти. Таким модним словом я називаю щось таке незмінне, яке неспотворене - черепки, що залишилися нам від наддалеких в минулому, сверхплотной Всесвіту. Інша справа, що з кожним кроком вглиб минулого стає все складніше їх знайти. Але поки це можливо.
- Якщо я правильно розумію, то першим таким артефактом стало виявлення реліктового випромінювання - того "світлового викиду", який виник в момент народження нашого Всесвіту і "дожив", тобто відстежується, до сих пір. Другий артефакт - відкриття неоднорідності цього випромінювання, яке підтверджує вашу теорію про те, що мікроскопічні квантові флуктуації в результаті зросли до розмірів галактик. Тобто ми самі і весь видимий світ - наслідок цієї квантової ряби. І які артефакти ви будете шукати далі?
- Наступний найважливіший етап - перевірити інший прогноз, яке я зробив в 1979 році, а саме - знайти первинні гравітаційні хвилі. Це було б найважливішим аргументом, остаточно підтверджує всю теорію інфляції - подібно до того, як відкриття бозона Хіггса остаточно підтвердило всю теорію сильних, електромагнітних і слабких взаємодій, яка розвивалася півстоліття до цього. Відкриття первинних гравітаційних хвиль було б прямим доказом того, що гравітація квантуется (складається з частіц.- "О") і існують Гравітон - кванти гравітації. Це завдання не просте, але досяжна: потрібно ще на порядок підняти чутливість приладів - зараз якраз планується чергова міжнародна космічна спостережна програма. У найближче десятиліття до необхідної величини дійдуть.
- Космологія вперше отримала експериментальне підтвердження в 1970-і - коли було відкрито реліктове випромінювання. З тих пір в неї вкладають серйозні бюджетні і приватні кошти. Чи буде це цікаво державам і далі?
- Експерименти дійсно дорожчають, а й держави-замовники багатіють, так що в відсотках валового національного доходу це дрібниця. Якби ми витрачали на фундаментальну науку 2,5 відсотка від національного доходу, як і багато інших країн, цього б вистачило, щоб відкрити дуже багато. Один тільки факт: при підготовці останньої Олімпіади будівництво дороги з нижнього олімпійського центру в верхній коштувало не менше, ніж американський марсохід, який зараз працює на Червоній планеті.
Інша справа, що якісь глобальні експерименти не варто робити силами однієї країни, необхідна колаборація - взаємодія, що і відбувається. Наприклад: Америка - країна багата, але вона обговорює одну національну місію, а інший проект готує Євросоюз. Європейці, до речі, обрали менш цікавий з точки зору фундаментальної науки політ до Юпітера і його супутників Ганімеду, Каллісто і Європі, щоб подивитися, чи немає там якоїсь життя. Зате це більш видовищно, вражає.
- Відповідно до теорії інфляції, одночасно з нашого Всесвіту склалося безліч паралельних всесвітів. Що ми можемо про них сказати? Це такі ж світи, як наш?
- Ці всесвіти відрізняються тільки тим, що там зірки знаходяться в інших місцях. Але є різні спекулятивні теорії, які говорять, що наша теорія елементарних частинок - Стандартна модель - не є єдино можлива, а є ще багато інших. Якщо це так, то ніщо не заважає тому, щоб в цих паралельних всесвітів реалізувалася б інша фізика, тобто там можливі інші фізичні сили і можлива інша життя. Втім, потрапити в ці світи можна, тільки повернувшись в минуле - в момент інфляції, а це неможливо. Стало бути, щоб зрозуміти, що там відбувається, потрібно навчитися правильно розраховувати таку альтернативну фізику. Поки ми цього не вміємо.
- Наукові відкриття завжди дуже тісно пов'язані зі світоглядом, з сприйняттям себе і Всесвіту. Як, на ваш погляд, змінять людини останні відкриття?
- З світоглядної точки зору головне в тому, що ми зрозуміли: наш світ - а під словом "мир" я розумію щось більше, ніж буквально наш Всесвіт, - грандіозно складніший, ніж ми думали. Зараз ми серйозно обговорюємо і інші всесвіти, які відірвані від нашого тривимірного простору, і те, що подібні світи народжуються весь час і в колосальній кількості. Все це викликає різні питання. Один з них - на стику науки і релігії: це світ для нас або не для нас? Поки що не відчувається, що він створений спеціально для нас. Ми займаємо в ньому настільки мале місце, що припускати, що він створений для нас, все менше і менше підстав.
- Звучить не дуже оптимістично.
- Ну, все не так погано. Трапляються ж малоймовірні одноразові події. Іноді релігію критикують, кажучи, що вона пророкує чудеса, а чудес бути не може. Але правильне наукове твердження полягає в тому, що якщо сталося диво, розуміючи під дивом дуже малоймовірне подія, то не слід чекати його повтору. Наприклад, число олімпійських чемпіонів незрівнянно менше числа спортсменів в світі. Тому ймовірність того, що навмання вибраний спортсмен виявиться олімпійським чемпіоном, незначна. Однак з цього не випливає, що олімпійських чемпіонів немає. Так що хоча факт, що цей світ створений не тільки для нас, безсумнівний, все одно він не виключає, що нам з вами дуже пощастило - іншими словами, ми і є ті самі олімпійські чемпіони.
Академік Олексій Старобинский - вчений зі світовим ім'ям, займається космологією, тобто еволюцією Всесвіту. Ще в 1979 році математично довів, що до Великого вибуху, який породив наш Всесвіт, мала місце інфляційна стадія, коли Всесвіт розширювався з величезною швидкістю. Це відкриття вважається найважливішим в теоретичній фізиці за останні 30 років: нікому не вдавалося заглянути так далеко в минуле світу. Сьогодні інфляційна теорія Старобинского блискуче підтверджується в наглядових експериментах.