«Облик Вселенной оформился в первые три минуты»

Вячеслав Муханов об инфляции, атомной бомбе и советской космологии

Екатерина Шутова 22.02.2016, 10:52
Физик Вячеслав Муханов mipt.ru
Физик Вячеслав Муханов

О галактических эмбрионах, темной энергии, советской атомной бомбе и теории мультивселенной отделу науки «Газеты.Ru» рассказал Вячеслав Муханов — физик, космолог, один из авторов доказательства инфляционной теории развития Вселенной, профессор Университета Людвига-Максимилиана в Мюнхене.

— Вам присуждена премия за открытие, согласно которому галактики сформировались благодаря квантовым флуктуациям в самом начале существования Вселенной. Можете описать суть вашего открытия простыми словами?

— Начнем издалека: почему электрон не падает на ядро? Когда электрон движется с ускорением, он должен излучать электромагнитные волны, без которых ничего бы не функционировало — в частности, айфоны и другие устройства. С другой стороны, излучая электромагнитные волны, электрон теряет энергию в атоме и должен был бы окончить свое существование в ядре. В результате материя была бы нестабильна и мы не могли бы существовать. Как сделать так, чтобы и приборы работали, и материя была бы стабильной? И здесь нас спасает квантовая механика, которая была открыта Вернером Гейзенбергом в 20-х годах прошлого столетия. Гейзенберг, кстати, учился в том самом университете, где я сейчас работаю.

Так вот, в основе квантовой теории лежит так называемый принцип неопределенности Гейзенберга.

Согласно этому принципу, нельзя заставить частицу оставаться в покое в каком-то конкретном месте.

Например, если вы будете пытаться локализовать электрон в ядре, то он приложит все усилия для того, чтобы сбежать оттуда. Именно поэтому материя и стабильна. И когда, например, электрон в водороде приближается к ядру на некое минимальное расстояние, диктуемое принципом неопределенности, то он перестает излучать электромагнитные волны и терять энергию. Опять же поскольку принцип неопределенности запрещает состояние абсолютного покоя, то и материю нельзя распределить в пространстве совершенно однородно. Составляющие ее частицы никогда не могут быть в абсолютном покое. В результате всегда есть минимальные неоднородности, которые называются квантовыми флуктуациями. И вот мы решили использовать эти квантовые флуктуации для того, чтобы объяснить происхождение галактик во Вселенной.

— Насколько я знаю, все эти квантовые эффекты обычно важны в масштабах атомов и даже меньше?

— Правильно, но не надо забывать, что наша Вселенная расширяется и в прошлом, сразу после ее рождения, все вещество, из которого состоят планеты, звезды и галактики, умещалось в спичечный коробок, каким бы невероятным это ни казалось. А поскольку в то время эмбрионы, из которых впоследствии образовались галактики, были чрезвычайно малы, то квантовая механика вполне могла играть решающую роль в их возникновении. И мы решили выяснить, не могли ли эти эмбрионы быть просто-напросто квантовыми флуктуациями, которые впоследствии выросли и стали взрослыми и старыми галактиками.

— Насколько старыми?

— Сегодня им по 13,7 млрд лет. А мы решили угадать, как же они должны были бы выглядеть в первые доли секунды сразу после рождения Вселенной. Мы предположили, что это были квантовые неоднородности. С другой стороны, эти квантовые флуктуации чрезвычайно малы — и нужно было найти способ их усилить.

Оказалось, здесь нам может помочь антигравитация.

А именно, если предположить, что антигравитирующая темная энергия была ответственна за рождение Вселенной, то квантовые флуктуации как раз и усиливаются ровно настолько, насколько требуется для того, чтобы впоследствии они стали галактиками.

— А как родилась сама Вселенная?

— Как родилась Вселенная — это уже другой вопрос. Скорее всего, она родилась точно так же, как и галактики, то есть с помощью квантовой физики и темной энергии. Но это все равно экспериментально мы вряд ли сможем проверить. А вот с галактиками другое дело. Оказалось возможным предсказать свойства галактических эмбрионов, а впоследствии и проверить с помощью наблюдений, насколько предсказанные свойства этих эмбрионов совпадают с тем, что мы видим в реальности.

— Откуда мы знаем, что такая темная энергия вообще могла существовать?

— Ну, из наблюдений следует, что она и сейчас составляет 70% всего вещества в нашей Вселенной. Непонятно, зачем она нужна сегодня, а вот в далеком прошлом такого же типа субстанция была чрезвычайно полезна. Она определенно была ответственна за возникновение галактических зародышей из квантовых флуктуаций и, скорее всего, за рождение вообще всей Вселенной.

— А как оказалось возможным проверить такую теорию?

— Дело в том, что после стадии доминантности ранней темной энергии, которая закончилась в момент одна миллиардная-миллиардная-миллиардная-миллиардная доля секунды после рождения Вселенной, галактические эмбрионы оказались замороженными в течение последующих 300 тыс. лет вследствие принципа причинности. Поскольку ничего не может распространяться со скоростью большей, чем скорость света, одна часть эмбриона не могла сообщить другой части, что делать, и в результате с ними ничего не происходило.

И только когда Вселенная постарела на 300 тыс. лет, эмбрионы пробудились и начали развиваться.

И как раз в этот момент времени мы и можем их наблюдать и анализировать их свойства, измеряя флуктуации температуры реликтового излучения на небе. Такие измерения оказались возможны сравнительно недавно, а именно в течение последних 25 лет благодаря просто фантастическому технологическому прогрессу. С помощью реликтового излучения мы смогли получить прямую фотографию ранней Вселенной, когда ей было всего 300 тыс. лет, и проверить предсказания теории, которые оказались в замечательном согласии с измерениями. То есть все предсказанные свойства галактических зародышей подтвердились.

— Вы говорили, что больше всего вас интересуют первые три минуты жизни Вселенной. Почему?

— Потому что именно в эти первые минуты в основном и оформился облик Вселенной. В частности, как я уже сказал, образовались галактические зародыши, возникла барионная асимметрия и, наконец, произошли ядерные реакции, в результате которых образовался почти весь гелий.

— А сейчас наша Вселенная считается старой?

— Все относительно. По сравнению с тем, когда Вселенная была образована, она сильно старая. Сейчас Вселенной 13 млрд 700 тыс. лет. Со временем, через миллиарды лет, все звезды угаснут. Потом, если темная энергия не распадется, Вселенная превратится в абсолютную пустыню.

Но в этом ничего трагичного нет, потому что другую Вселенную создать гораздо проще, чем предохранить нашу от вымирания.

— А как можно создать другую Вселенную?

— А для этого энергии не требуется. Вселенную можно создать из ничего.

— Но это звучит совершенно фантастически…

— При этом все научно обосновано. Потому что энергия гравитационного поля отрицательная. А энергия вещества положительная. А в сумме, если взять энергию материи и добавить энергию гравитационного взаимодействия, полная энергия Вселенной может быть нулевой. Поэтому Вселенная может быть создана из ничего, а именно можно позаимствовать энергию из гравитационного резервуара (который бесконечен) — и произвести 1055 граммов вещества.

— Почему именно 1055?

— Солнце весит 1033 граммов. В каждой галактике где-то порядка 100 млрд звезд, ну а в наблюдаемой части Вселенной около 100 млрд галактик. Отсюда получаем массу вещества в нашей Вселенной — 1055 граммов. И все это можно получить из ничего. Просто-напросто нужно, чтобы возникла квантовая флуктуация, в которой доминирует темная энергия. Эта темная энергия будет антигравитировать и мгновенно растащит маленький пузырек до огромных размеров, заполняя его материей, которая затем преобразуется в нормальное вещество. А из этого вещества впоследствии образуются галактики, звезды, планеты. В основе всего было ничего!

— А как вы относитесь к теории мультивселенной, которая сейчас крайне популярна?

— Эту теорию, которую активно пропагандируют в разной популярной литературе, я не очень люблю. Идея, что была мультивселенная, в которой все на свете реализовалось, и нам объяснять ничего не надо, выглядит как бессмыслица. Это трудно назвать физикой, скорее уж это нечто вроде религии. Да и к тому же эта идея даже не оригинальна, а восходит к древним грекам. В частности, еще Демокрит утверждал, что есть бесконечное количество Вселенных и бесконечное количество Демокритов в них. Слова, слова, слова… Физика — это прежде всего наука экспериментальная, и эксперимент в ней нельзя подменить логическими заключениями и сделать вывод, что что-то однозначно неизбежно. В этом отношении физика сильно отличается от математики. Критерии строгости совершенно иные.

Да и к тому же какая разница, есть другая Вселенная или нет, если она в принципе ненаблюдаема.

— Каковы, на ваш взгляд, главные загадки современной космологии?

— Водород, гелий и остальное барионное вещество составляют лишь 4% от общего количества вещества во Вселенной. Остальные 96% — это темное вещество. Оно, в свою очередь, состоит из двух компонентов: темной материи и темной энергии.

Темная энергия распределена во Вселенной однородно, и она антигравитирует — то есть вместо того, чтобы замедлять расширение, она это расширение ускоряет. А темная материя — это с точки зрения гравитации совершенно нормальное вещество, и оно скапливается, например, в галактиках. Мы до сих пор не знаем фундаментальной природы этих компонентов темного вещества, хотя и на сто процентов уверены в их существовании — поскольку видим их посредством гравитации. Все остальное — загадка.

— А еще какие загадки существуют в космологии?

— Например, почему темная энергия стала важна именно сейчас, когда она нам совершенно не нужна.

— Сейчас многие режиссеры любят снимать фильмы о черных дырах, кротовых норах… А какова вероятность, что эти идеи претворятся в жизнь?

— В таких фильмах очень много довольно примитивной фантазии, которая ничего общего с наукой не имеет. Поэтому и претворять в жизнь особо нечего. С другой стороны, реальность гораздо богаче и необычнее, чем любая убогая фантазия, но для того, чтобы это понять и оценить, нужно соответствующее образование, а с этим дела обстоят не так уж и замечательно. Поэтому лучше надеть 3D-очки, взять компьютер и ощутить все эти кротовые норы, которых в природе не существует, в виртуальной реальности. Зачем для этого лететь в космос?

— На ваш взгляд, сейчас люди интересуются космологией?

— Главным образом до и после определенного возраста.

— До какого возраста?

— Некоторые — до 15 лет или до 20. А потом начинают решать жизненные проблемы, и, наверное, на абстрактные вопросы времени не остается — и они перестают их занимать.

А вообще на кого рассчитана популярная литература о науке? Мне кажется, главным образом либо на молодежь, которая еще в школе учится, либо на людей, которые немного crazy, ушли на пенсию и начинают наукой тоже интересоваться.

У меня две категории студентов на лекциях по общей теории относительности — это молодежь и пенсионеры.

Вторым уже можно особо не заботиться о выживании, и они решили посвятить остаток своей жизни тому, что им действительно интересно.

— Какие темы ваши студенты схватывают на лету, а какие даются им с трудом?

— Любую тему можно сделать настолько элементарной, что ее поймут даже детсадовцы. Когда я прихожу на лекцию, то говорю: «Вам все будет понятно, если вы знаете таблицу умножения и преобразование Фурье». А так сложных тем в физике нет. Есть просто преподаватели, которые не понимают, о чем они говорят, — и темы становятся трудными.

Я читал одно время курс механики для начинающих студентов. У меня среди 350 студентов никто не жаловался, что было непонятно. Одна девушка приходила на лекции с ребенком и оставляла его в углу на одеяле играть — когда ребенок ревел, я говорил, что, наверное, слишком сложно что-то объясняю. Физика — наука, которая не всем легко дается, но на каком-то уровне ее можно донести до любого человека. Потому что она связана с реальной жизнью и лежит в основе всего. А большинство людей даже не задумываются, почему они могут пользоваться телефонами, компьютерами, да и многим другим. Тем не менее все это было создано благодаря развитию физики — особенно в предыдущее столетие.

— Как раз хотела спросить, в каком состоянии, на ваш взгляд, находится современная российская наука — и в каком состоянии была советская космология.

— Советская космология в 80-х годах была одной из лидирующих в мире. Были ведущие школы — и все они находились на топ-уровне. В каком-то отношении мы были даже впереди американцев. Ну а сейчас позиции утеряны, и за исключением нескольких специалистов осталась одна видимость. Что-то развалить или уничтожить гораздо проще, чем создать нечто новое. Со стороны складывается такое впечатление, что люди, от которых зависит научная политика, вообще ничего в ней не понимают и ничем, кроме денег, не интересуются. Но деньги не решают всех проблем.

Если уничтожить научную школу и культуру, то ни за какие деньги ее невозможно восстановить в короткие сроки.

— А как физика могла сохраниться и развиваться в период сталинских чисток?

— Как это парадоксально ни звучит, но советскую физику спасла атомная бомба. К сожалению, например, генетике повезло гораздо меньше, и она была практически полностью уничтожена идеологическими мракобесами и недоучками.

Безусловно, были атаки и на физику, в частности на реакционный буржуазный принцип неопределенности Гейзенберга, о котором я говорил.

Все прекратилось, насколько я понимаю, после звонка Курчатова (который отвечал за создание бомбы) главному сталинскому душегубу Берии, который сказал ему, что если философы не оставят физиков в покое, то «мы создание бомбы не гарантируем». Ну а поскольку все диктаторы и национал-патриоты очень хорошо понимают, насколько полезны всякие бомбы, то Сталин, естественно, дал команду физиков не трогать.