© "Семь искусств"
  июнь 2017 года

Борис Штерн: Прорыв за край мира

Уже который раз оказывается, что важнейшие факты в космологии видели задолго до официального открытия, но не придали значения или не поверили. Космологическая инфляция, как новая парадигма, появилась в 1981 году. Часто идеи, перед тем как восторжествовать, витают в воздухе.

Борис Штерн

Прорыв за край мира

(продолжение. Начало в №4/2017 и сл.)

  1. Проблески новой космологии жителей подледного океана Европы

После открытия конечной толщины льда и шарообразности Мира космология европиан стала более самосогласованной. Все очевидным образом решилось с силой тяготения: она универсальна, направлена к центру Мира, действует и на воду и на лед, держит Мир единым — скрепляет его от разлета в окружающую пустоту. А также создает огромное давление среды и выталкивающую силу, действующую в воде. Благодаря экспериментам в вакуумных камерах их теория тяготения была доведена до состояния тождественного нашей ньютоновской теории гравитации.

    Вместе с тем стало ясно, что картина мира катастрофически неполна. Что там, в пустоте за ледяным панцирем?  Если нет ничего, и Мир является единственной сущностью, то почему он вращается? Ведь вращение говорит о какой-то вторичности, о том, что Мир не есть центр всего сущего. Так что же там?

 Внешнее пространство стало тяжелейшей мировоззренческой проблемой, наплодившей множество  фантазий. От бесконечной пустоты, окружающей единственный в ней Мир, до вложенных друг в друга вращающихся сфер. От множества однотипных миров, свободно летающих в пространстве, до исполинского иерархического хоровода хороводов разнообразных тел.

  В то же время встал и другой вопрос — что поддерживает тепло недр? Ведь оно передается в холодный лед и дальше как-то уходит в неведомое пространство. Если Мир вечен или существует очень долго, то его энергия должна была исчерпаться. Что пополняет запасы тепла?

    Между тем, былые достижения цивилизации принесли урожай —  изобилие пищи и бытовых благ. Поэтому общество не особенно терзалось загадкой внешней пустоты и источника энергии, предпочитая брать от жизни как можно больше, пока дают. Массовое образование в подобные эпохи везде, что на Земле, что на Европе, деградирует одинаковым образом. В результате появляются поколения, в которых почти нет квалифицированных работников. Но Европиан пока что выручала спасительная инерция цивилизации. Банкет все еще продолжался.

  Однако и во время сонного изобилия, тихой сапой развивался научный инструментарий — электроника, фотометры, прецезионная локация.  И ученые потихоньку продолжали заниматься своим делом. Вдруг в средствах массовой информации пошли сообщения, что они что-то обнаружили — там, снаружи. Но из сообщений никто ничего не мог понять.

     Бреан Друм работал ведущим научно-популярной передачи кабельного вещания, отличаясь от своих коллег настоящим научным прошлым, слывя по этой причине занудой-умником. Тем не менее, он имел свою прочную аудиторию, и на кабеле его терпели.  Он отправился к своему однокашнику,  Хруам Мзеню, руководителю проекта под названием «Небесное дыхание», с просьбой выступить в передаче. И услышал в ответ:

  — Я!? По вашему кабелю? Эх, если бы ты не был другом, сейчас бы летел отсюда впереди собственной трели! Я уже выступал у вас. Я рассказывал про Большой аттрактор, как он деформирует своим тяготением ледяную оболочку. При монтаже выкинули часть моих слов, вставили слова диктора, и получилось, что я говорю про Ужасного Каттракена, изготовившегося взломать ледяную оболочку, чтобы высосать всю воду Мира. Я потом потратил десять смен, чтобы связаться со всеми коллегами и друзьями, дабы уверить их, что я в своем уме и не говорил всего этого бреда. А ты хочешь, чтобы я еще у вас выступал!

 — Ну это была четвертая студия, известное дело. Меня бы спросил, прежде чем туда идти. Мне-то ты доверяешь?

 — Тебе-то я доверяю, а ты доверяешь тем, кто будет монтировать твою передачу? Ты уверен, что они не вставят туда очередного каттракена ради обрамления рекламы каких-нибудь надглазных мерцалок?

  — Меня обычно не трогают — аудитория специфическая, всякой дребедени не покупает, реклама неэффективна. Просто задвинули передачу в угол.

  — Все равно не пойду. Как вспомню, так скручивает…

  — Хорошо, давай я сам постараюсь грамотно все объяснить аудитории, но для этого я должен расспросить тебя. Могу не ссылаться.

  — Давай. Только, действительно, лучше не ссылайся…

 —  Я краем уха слышал, что нашли какой-то внешний источник света. Это правда?

 —  Правда. Именно Внешний источник с большой буквы. Он очень-очень слабый. Точнее,  он весьма сильный, но сигнал от него слабый, поскольку толща льда неба поглощает почти все. К небу привернули несколько фотометрических станций, которые раз в смену сбрасывают данные через тарелочные пищалки. Внизу эти данные записываются на ленту. Чувствительность у них порядка на два выше, чем у наших глаз, плюс способность накапливать сигнал за большое время. Долго никакого сигнала со станций не видели и уже подумывали прекратить затею. Да и сейчас, если взять данные с любой из станций — там ничего не видно.

   Так вот, новость заключается в том, что в результате совместной обработки данных со всех станций сигнал найден. Точнее, на гармоническом разложении  темпов счета виден пик на периоде близком к гироскопным суткам. Вероятность случайного возникновения такого пика — одна миллиардная. Кстати, сигнал удалось найти только благодаря недавно появившимся компьютерам — гармонический анализ такого объема данных — задача, которую в уме решить невозможно даже целой бригаде тренированных вычислителей.

— Это уже можно рассказывать по кабелю?

— Можно, это все прозвучало на конференции и будет опубликовано со дня на день.

 — Погоди, я регулярно сталкиваюсь с тем, что народ до сих пор не верит, что Мир вращается. Говорят — ну что нам ваши гироскопы, пусть себе вращаются, никто же не видел, как вращается мир.

  — Это, кстати, один из результатов вашего кабеля, я не имею в виду твою передачу. Наше поколение таким тупым еще не было. Дело в том, что почти любого можно сделать дураком, благодаря привычке верить широковещательному слову. Некоторые сопротивляются, перестают верить, рвут кабель, но это меньшинство.  На самом деле у тебя сейчас важная роль — поддерживать и образовывать это меньшинство. Вот ты для кого-то из них авторитет. Так и говори больше и доходчивей! Глядишь, сменится пара поколений — дураков меньше не станет, но невежество станет постыдным, и большинство начнет смеяться над теми, кто не верит, что Мир вращается. Однако продолжу. Я сказал, что Внешний источник дает гармонику близкую по периоду, почти равную гироскопным суткам. Все дело в этом «почти»! На самом деле за 1220 гироскопных суток Внешний источник отстает на один оборот.

 — Ого-го! Это что же он вращается вокруг нас, делая оборот за 1220 суток? Это должно быть очень далеко.

— Хуже того, он действительно, похоже, очень далеко, но это не он вокруг нас вращается, а мы вокруг него, причем вместе с Большим аттрактором.

 — Даа… Кстати, что нового известно про Большой аттрактор? Вроде понятно, что это другой мир, притягивающий наш, видимо больше нашего, что наш мир всегда повернут к нему одной стороной. Но все-таки, насколько он больше и как далеко находится?

—  Это не так просто. Он может быть не очень большим и близким или очень большим и далеким — расстояние неизвестно. Сегодня это можно определить лишь одним способом. Кстати, ты знаешь, как обнаружили сам факт существования Большого аттрактора?

 — По «дыханию неба» вроде. Недаром ваш проект так назвали…

 — Ну да. Акустики своей локацией выяснили, что небо вблизи  экватора в первом квадранте в начале каждых суток чуть приподнимается и то же самое происходит в третьем квадранте. Давай покажу.

   Предположим, моя голова направлена по оси Мира. А свои руки я вытягиваю в плоскости экватора. — Хруам Мзень вытянул конечности (у автора не поворачивается язык назвать это руками), став похожим на восьмилучевую звезду. — Пусть я — Мир, а вон та стойка с приборами будет Аттрактором. Я двигаюсь вокруг него, оставаясь повернутым к нему одной стороной. — Ученый непостижимым образом, чуть заметно шевеля конечностями, стал двигаться вокруг стойки, разворачиваясь так, чтобы все время быть к ней лицом. — Аттрактор вытягивает меня по направлению к себе своей гравитацией. — Хруам Мзень сильней вытянул конечности направленные к стойке и от нее и чуть поджал боковые.  — Но моя орбита не круговая. Вот здесь, со стороны красного щита я приближаюсь к Аттрактору и вытягиваюсь сильней… А с противоположной стороны удаляюсь и становлюсь более круглым. — Ученый в движении осуществлял соответствующие трансформации, делая все это непрерывно и плавно. — А если у меня на лице сидит наблюдатель и  измеряет расстояние до крайнего когтя на передней руке, он увидит периодическое изменение этого расстояния…

 — Зачем ты мне этот цирковое преставление устраиваешь? Мне бы и пары слов хватило, чтобы понять. Но как тебе удается это шоу?  Прямо настоящий балет! Я бы точно не смог.

  — Показываю, чтобы похвастаться. Я ведь преподаю студентам, в том числе — младших курсов. Им не то, что пары слов, а и целой лекции не хватит, чтобы понять. Такой студент нынче пошел.  Вроде слушают, а глаза сонные и мутные — не понимают ни-че-го! А устроишь такое представление — что-то щелкает у них в голове — просыпаются, глаза оживают, начинают понимать. А как только студент начинает хоть что-то соображать, хватаешь его за это «что-то» и вытягиваешь из  состояния сонного отупения. У нас на сотню студентов получается всего два-три по настоящему толковых выпускника, зато почти половина становится способна что-то самостоятельно выяснять и делать собственные суждения. По нынешним временам и это — благо.

— И что будут делать эти двое — трое, когда они никому не нужны? 

— Будут хранителями. Будут копаться потихоньку в чем-то интересном, как это делаем мы. Зато когда, наконец, припрет по-настоящему, не надо будет восстанавливать науку совсем с нуля.

  — Ваши «копания» видимо аукнутся совсем не потихоньку. Уже пошли слухи, которые вызывают не только интерес, но и настороженность, вплоть до явной нервозности в высшем духовенстве… Кстати, насколько вытянута наша орбита?

 — Как ни странно, пока не знаем. Проблема в чем? Надо измерить, насколько Мир вытянут в сторону Аттрактора. А мы не можем взглянуть на мир со стороны. И не можем промерить его изнутри с достаточной точностью. Скорее всего, вытянутость орбиты не больше 5 процентов. 

 —   Я слышал, что вроде дыхание  как раз и дает тот загадочный источник энергии недр, благодаря которому мы существуем.

  — Конечно, это похоже и есть ответ. Недра, как и небо, тоже растягиваются и сжимаются, хоть и поменьше — вот тебе трение, значит, есть и выделение тепла.

  —  Я тебя, было, спросил о массе Большого аттрактора — давай вернемся к этому.

 —  Чтобы знать массу Аттрактора, надо знать расстояние до него. Единственный способ понять далеко он или близко — измерить разницу в дыхании на противоположных полюсах. Если Аттрактор близко — на том полюсе, который обращен к нему, амплитуда дыхания будет заметно больше. Этого пока не видно — точности еще не хватает. Мы даже не знаем, с какой стороны Большой аттрактор — со стороны первого или третьего квадранта. Но из  верхнего предела на разницу амплитуд вытекает нижний предел на массу Большого аттрактора — это 5 тысяч масс нашего мира.

 —  Слышал, что он большой, но 5 тысяч! Наш Мир, получается, всего лишь мокрый булыжник, покрытый ледяной скорлупой!

 —  Да, но зато на нем можно жить. А на Большом аттракторе вряд ли. Правда, вокруг него могут летать и другие «мокрые булыжники»…

— Подожди, а их, других, можно как-нибудь почувствовать?

— С тем оборудованием, что мы имеем сейчас, нет. Но в принципе можно. Даже есть кое-какие задумки по этому поводу, но оглашать их рано.

 — Давай вернемся  к Внешнему источнику, с которого начали. Это что-то еще более грандиозное?

— Судя потому, что Внешний источник своим тяготением никак не сказывается на вращении нашего Мира вокруг Аттрактора, он очень, очень далеко. И при этом он очень ярок. Недавно измерили прозрачность льда. Оказывается, что если наши фотометры, хоть и на пределе, чувствуют внешний свет, то за толщей льда освещенность должна намного превосходить все, что мы можем вообразить. Значит у этого источника просто какое-то непостижимое энерговыделение.  А значит, надо думать, и масса огромная. Потому я и сказал, что это мы с Аттрактором вращаемся вокруг Источника, а не наоборот. Там могут быть и другие подобные аттракторы со своими мирами.

 — Ты нарисовал совершенно грандиозную картину. Она сворачивает мозги набекрень даже у меня, а что говорить о широких массах трудящихся?  Кто в нее поверит, когда она основана на каких-то незначительных тонких эффектах? Фотометры что-то там на пределе чувствительности измерили… Еле заметное дыхание неба… При этом никто ничего не видит, ничего не может потрогать? Как поверить в то, что это не плод фантазии длинноголовых?

 — Прежде всего, мы сами, профессионалы должны себе верить. Мы чаще сами недостаточно полагаемся на свои выводы, чем слишком полагаемся на них.

  Так, один известный чудак потратил кучу времени на решение задачи о движении тел в центральном поле притяжения в гипотетической пустоте. Всякие эллипсы, параболы, гиперболы. Ему говорили: и где же движутся твои тела? В сопротивляющейся воде? В ледяном небе? Где твоя пустота? Да и сам он воспринимал свои занятия скорее, как искусство. А оказалось, что сам Мир со своей ледяной скорлупой движется по его закону.

  Когда появляется ощущение, что все концы с концами начинают сходиться, что задача начинает сама тащить тебя вперед — значит, ты прав и должен твердо стоять на своем.

 — Я то тебя прекрасно понимаю. А какой-нибудь фермер, услышав все это, придет в ярость, назовет тебя жуликом, скажет, что этого не может быть никогда…

 — А это не так плохо. Если фермер придет в ярость, значит, его интересует картина мира. Значит у него в голове, что-то происходит на эту тему, что-то сложилось — своя система взглядов, смена которых, как известно, вызывает ломку. Гораздо хуже, если фермеру, если любому другому жителю будет абсолютно все равно. Если он просто пропустит сообщение мимо ушей. Если картина мира нужна ему как девятая конечность…

  — Слушай, а нельзя ли пробурить этот проклятый панцирь и посмотреть — что за ним?

 — Это было бы потрясающе. Но знаешь где здесь основная западня, полная сарсынь,  с позволения сказать? — Температура льда. Лед можно растопить или пробурить — в любом случае скважину заполнит вода. Но температура стенок скважины сначала еще ничего, но чем дальше, тем холодней, при приближении к поверхности лед должен быть чудовищно холодным. Это значит, вода в скважине будет очень быстро замерзать, и чтобы поддерживать ее жидкой, потребуется почти вся энергия электростанций Мира.

 — Может быть это стоит того, чтобы напрячься, новые электростанции построить наконец?

 — Это древние деспотии могли напрячься и  нагромоздить исполинский конус в честь деспота. А сейчас, поди, объясни тем же фермерам, что нужно чем-то поступиться ради дырки в никуда —  именно так они воспримут эту идею. Эпоха не та — время великих экспедиций кончилось, настало время наслаждаться.

 —  Так что же — полная безнадежность? Обидно будет помереть, так и не узнав, что там снаружи! Наши предки жили, не зная, что это «снаружи» вообще существует — им было легче.

 —  Безнадежность — не полная. Во-первых, мы уже почувствовали, что снаружи есть две вещи и скоро определим расстояние до одной из них. Во-вторых, время идет быстрее, чем раньше, эпоха удовлетворения не вечна — кое-кого из молодежи уже подташнивает от нее. Кому-то начинает хотеться чего-то настоящего… Разумная тварь должна принимать настоящие вызовы! Иначе, какая же она разумная, иначе она быстро превратится в тупого кальмара! Глядишь, и прорвемся когда-нибудь.

  Через две смены, после трансляции передачи Бреан Друма, в которой он пересказал состоявшийся диалог, по каналу четвертой студии в новостях было сказано:  «По мнению ученых, с каждым оборотом гироскопов к нам приближается Большой крактор, который уже поглотил более 5 тысяч миров, и теперь, как полагают некоторые комментаторы, наш на очереди. Кроме того, обнаружено, что существует огромный внешний источник, который через каждые 1220 оборотов гироскопов излучает на нас палящую вспышку. В связи с этим вице-трибун Верховного наказа заявил, что внесен законопроект о срочной остановке и запрете эксплуатации всех гироскопов.»

 Так европиане расплачивались за легкодоступные блага, добытые талантом и трудом предков. Что ж, это было время, которое надо перетерпеть.  Терпеть  оставалось 726 гироскопных суток. 

Комментарий к разговору Бреан Друма с Хруам Мзенем

  «Дыхание», о котором говорят европиане, конечно — приливы. Они отличаются от земных приливов тем, что Европа, как и Луна, как и остальные галилеевские спутники, всегда повернута к Юпитеру одной стороной. Приливная сила первого порядка вытягивает спутник в эллипсоид, направленный к Юпитеру, но этот эллипсоид в первом приближении статичен и его невозможно выявить изнутри подледного океана.

  Однако, орбита Европы слегка вытянута (эксцентриситет 0.009) и это вызывает динамические приливы: когда Европа приближается, она вытягивается чуть сильней, когда удаляется — чуть меньше. Приливное трение греет спутник изнутри. Кроме того, из-за вытянутости орбиты Европа чуть меняет свою ориентацию относительно Юпитера — на 0.1 градуса. Это существенно  увеличивает приливное тепловыделение.

  Как европиане могут оценить  массу Юпитера, не зная радиуса орбиты? Амплитуды приливов для этого недостаточно, даже если известен период обращения.  Требуется следующий порядок малости — разница в амплитуде приливов с противоположных сторон. Она составляет примерно d/R ~ 1/200 от самой амплитуды (d — диаметр Европы, R — радиус орбиты). Из диалога следует, что ими измерен только верхний предел на  разницу амплитуд.

  1. У истоков космологической инфляции

Выше мы перечислили простые вопросы, адресованные теории Большого взрыва, которые стояли во весь рост в 60 — 70-х годах. Теперь, попробуем совершить экскурсию в те времена, чтобы представить атмосферу в сообществе космологов.  Попробуем разглядеть с высоты  нашего времени первые шаги в направлении, которое позже привело к прорыву в космологии. В этом экскурсе нам поможет Владимир Лукаш, который в те времена работал в «эпицентре» советской космологии, каковым была научная школа Якова Борисовича Зельдовича.

Владимир Лукаш, 2012 г. (фото с сайта УФН)

Владимир Лукаш, 2012 г. (фото с сайта УФН)

 БШ — Начнем с известных парадоксов — изотропия, однородность Вселенной, ее «плоскостность». Откуда все взялось? Откуда такая симметрия? Как она достигла таких огромных размеров и не разлетелась — атом от атома на парсек? Что тогда думали тогда по этому поводу?

Владимир Лукаш — Был целый рынок космологических моделей. Самые простые — фридмановские модели: открытая, плоская и закрытая. Они симметричные по определению, но как столь высоко симметричная космология могла реализоваться в природе — оставалось загадкой. На первых порах просто приходилось задавать руками фридмановскую вселенную, т. е. постулировались такие начальные условия, которые и приводили к современному состоянию — это так и называлось «космологический постулат». 

БШ — Постулат, куда, как под ковер, заметались главные проблемы?

ВЛ — Ну конечно ситуация с начальными условиями никого не устраивала, шли интенсивные поиски физических механизмов изотропизации и сглаживания неоднородностей.

 С изотропностью было легче. Уже в начале 70-х годов поняли, что если Вселенная однородна, то гравитационное влияние материи приводит к ее эффективной изотропизации в ходе расширения (это наши работы с Игорем Новиковым и Андреем Дорошкевичем, а также исследования Чарльза Мизнера, Стивена Хоукинга, Бэрри Коллинза, Олега Богоявленского, Сергея Новикова и других). То есть мы показали, что если уже имелась однородность, то со временем будет почти изотропная ситуация.  А вот с пространственной однородностью всё обстояло гораздо  сложнее — её действительно приходилось задавать руками, она оставалась за рамками Большого взрыва.

    Кстати, какая-то анизотропия могла остаться. Разные модели предсказывали различные виды глобальной анизотропии — в виде квадрупольной гармоники или крупномасштабного пятна в распределении температуры реликтового излучения на небесной сфере. И наблюдатели бросились искать. Одним из пионеров этого направления был итальянский астроном Франческо Мельхиори, который посвятил большую часть своей научной жизни поиску квадрупольной анизотропии реликтового излучения. Тогда эта «охота» не увенчалась успехом — слишком мала была амплитуда. Но к поиску анизотропии уже подключились многие исследователи как в России (Юрий Парийский, Николай Кардашев, Игорь Струков, Дмитрий Скулачев и др.), так и в Америке и Европе (Джорж Смут, Давид Вилкинсон, Паоло Бернардис и др.).  Я помню, как в начале 70-х в группу Зельдовича приезжал Джорж Смут, спрашивал, как и что измерять и какие ожидаются амплитуды сигнала. Речь тогда шла об амплитудах ~10-4, однако много позже анизотропия была открыта на уровне 10-5 в полном соответствии с предсказаниями Космологической стандартной модели. Следует, однако, заметить, что глобальную анизотропию мира, которую искал Мельхиори, так и не нашли до сих пор и продолжают её искать — время от времени появляются «сенсации» об обнаружении выделенных осей и плоскостях мира, но окончательный вердикт можно будет вынести только с увеличением точности измерений.          

БШ — Вернемся назад, я еще спрашивал по поводу «плоскостности», или близости плотности к критической, что то же самое? Что думали по поводу такого точного баланса? 

ВЛ — Прямые оценки плотности Вселенной по звездам и газу давали всего несколько процентов от критической плотности. Уже была обнаружена темная материя — по разбросу скоростей и кривым вращения галактик,  но ее вклад сильно недооценивался. Самая известная оценка того времени — Джим Пиблс и  Брэнд Тали: плотность Вселенной не более 10% от критической. То есть не хватало порядка. Это работало в пользу открытой модели, хотя и от плоской никто не отказывался.

БШ — Подожди, что с этого одного порядка?  Эта разница на порядок, если пойти в раннюю Вселенную, выражается в какой то момент, как отклонение от критической типа 10-50, что странно. Если бы отклонение изначально было чуть больше, сейчас оно бы выражалось десятками порядков величины, а не процентами. Правда тогда бы и нас не было… 

ВЛ — Да, конечно мы это знали. Первым, наверное, был американский астрофизик Дикке, который четко сформулировал: Ω (отношение плотности Вселенной к критической плотности) — переменная во времени величина. Она быстро деградирует либо к нулю, либо к бесконечности.  За исключением одного единственного случая, если Ω=1 в точности. Поэтому и тогда были подозрения, что плотность равна критической, т.е. Вселенная — плоская. Мы, кстати,  работали с плоской моделью. Однако дискуссии о компонентах материи не утихали. Аргумент Дикке был эвристический, а измерение плотности — это реальная наука.

БШ — Небось тогда пытались привлекать антропный принцип для объяснения этого парадокса?

ВЛ — В нашей группе считалось, что антропный принцип — это от бедности. Ситуация типична для случая реализованной (апостериорной) вероятности. Вселенная-то уже есть, но как она появилась, что тогда произошло? Всегда есть соблазн решить задачу одним махом: взгляните в окно, вы же видите, как сложно и разумно всё устроено, неужели не ясно, что всё это создано провидением, а дальше подставляйте — Бог, антропный принцип, избранный наблюдатель и т.д. Нет, в группе Зельдовича доверяли только эмпирике. Понимали так, что надо развивать эксперимент и методы обработки, а будут новые данные, тогда и с моделью продвинемся. Именно в то время появился термин «наблюдательная космология» — «астрофизика» как исследование звёзд уже была тесна.

 БШ — Чтобы подтвердить плоский вариант надо было искать недостающую материю. Где? 

ВЛ  —    О компонентах материи и темпе космологического расширения шли горячие дискуссии. Согласно уравнениям Фридмана, скорость расширения регулируется средней плотностью материи и ее давлением. Если давление мало (а тогда казалось очевидным, что оно близко к нулю), то фридмановская Вселенная должна расширяться с замедлением.

Это можно было проверить по диаграмме Хаббла — зависимости красного смещения объектов стандартной светимости от их видимой яркости. В середине семидесятых Джим Ганн и Беатрис Кинсли опубликовали свою версию диаграммы Хаббла.  Они ее строили по  центральным галактикам больших скоплений — тогда считалось, что яркость у таких галактик более-менее одинакова. Так вот, их данные лучше всего описывались отрицательным параметром замедления, то есть — ускорением, ускоряющимся космологическим расширением (сейчас-то мы знаем, что именно так оно и есть). Но тогда народ был еще не готов, чтобы всерьез воспринять ускоренное расширение, все свалили на ошибки измерений, и про этот результат потихоньку забыли.

БШ — Потрясающе! Уже который раз оказывается, что важнейшие факты в космологии видели задолго до официального открытия, но не придали значения или не поверили. Космологическая инфляция, как новая парадигма, появилась в 1981 году. Часто идеи, перед тем как восторжествовать, витают в воздухе. Мой вопрос: витала ли в воздухе идея космологической инфляции в 70-х годах?

Яков Борисович Зельдович. 1914 — 1987 (astronet.ru)

Яков Борисович Зельдович. 1914 — 1987 (astronet.ru)

ВЛ — Бесспорно, витала, однако тогда её так не называли и многие следствия ускоренного расширения или раздувания (инфляции) не связывали ещё в единую парадигму. Как это часто бывает у людей, новую идею не сразу заметили, осознали и приняли. Первый раз с настойчивой мыслью о том, что космологический лямбда-член, вызывающий экспоненциальное расширение,  может появиться из физики вакуума, точнее из тензора энергии-импульса  в правой части уравнений Эйнштейна, выступил Эраст Глинер — еще в конце 60-х. Он пришел в группу Зельдовича и рассказал о своей догадке. В те времена одним из популярных космологических сценариев была осциллирующая вселенная: сжатие — отскок — расширение. Проблема была в том, что при сжатии вселенная неизбежно должна была достичь сингулярности — состояния с бесконечной плотностью.

Эраст Глинер (фото с сайта Astronet.ru)

Эраст Глинер (фото с сайта Astronet.ru)

Глинер предложил, как можно избежать сингулярности при отскоке с помощью вакуума с ненулевой плотностью энергии и с уравнением состояния p = -ε (напомним: ε — плотность энергии, р — давление, которое оказывается отрицательным), как и должно быть в чистом вакууме. Тогда при сжатии, когда образуется такой вакуум, включается расталкивание, и вселенная идет по решению де Ситтера: торможение коллапса, поворот при конечной плотности, экспоненциальное расширение.

   Я.Б. Зельдович, выслушав это, пришел в ярость, сказал, что все это ерунда и выгнал докладчика, разве что с лестницы не спустил.  Глинер хотел опубликовать работу в УФН, и Гинзбург дал добро. Тогда Зельдович выдвинул ультиматум: если статья публикуется, он выходит из состава редакции. Печатать академики из редакции УФН не решились, и Глинер опубликовал работу в «Докладах Академии наук» по рекомендации Андрея Сахарова. Всё это смешно вспоминать, если бы не было так грустно.  

Потом, много лет спустя, когда у нас обсуждалась работа Алана Гута по космологической инфляции, я спросил Зельдовича — почему он в свое время выгнал Глинера  — ведь у Гута по сути то же самое: вакуум с p = -ε экспоненциальное расширение. Зельдович ответил, что этого не может быть при коллапсе — там должно быть, наоборот, очень жесткое уравнении состояния с положительным давлением, никак не вакуумное.

БШ — Действительно идея приложена к неправильному сценарию, но получилось, что с водой ребенка выплеснули.

ВЛ — Да и у Гута всё неправильно в его первом сценарии. Тем не менее, очевидно, что Зельдович был не прав. Но идея-то инфляции верная — она блестяще ответила на вопросы, как решить проблему горизонта, почему Вселенная большая, откуда так много частиц, и другие. Кстати, Глинер жив и здоров. Ветеран Великой отечественной, между прочим. Где-то в Штатах живет.

БШ —  С Глинером еще работала Ирина Дымникова…

ВЛ — Да, Глинер работал в Ленинградском Физтехе. Там же была группа «релятивистов», занимавшихся задачами, связанными с общей теорией относительности. Ее лидером был Лев Гуревич, в этой же группе работала и Дымникова, которая заинтересовалась задачей. Они вместе опубликовали статью («Несингуярная фридмановская космология») в «Письмах в ЖЭТФ». В середине 70-х Дымникова докладывала эту работу у нас на семинаре и сказала две важные вещи. Во-первых, данный процесс экспоненциального расширения (термина «инфляция» тогда еще не существовало) позволяет быстро создать огромный объем из микроскопического начального состояния. Это может объяснить огромный размер Вселенной. Во-вторых, это может объяснить, откуда во Вселенной такое огромное количество частиц. Вакуум с ненулевой энергией неустойчив, и когда-то распался, при этом диссипируя в излучение и частицы. На стадии экспоненциального расширения плотность энергии вакуума остаётся неизменной, и при его распаде в единице объема рождается определенное количество частиц. А объем-то уже экспоненциально возрос. Значит и полное число частиц в этом выросшем объеме экспоненциально велико.

БШ — Это уже дольно мощный проблеск. Похоже, что он не был достаточно внятно зафиксирован в научной литературе. И как вы восприняли этот доклад?

ВЛ — И доклад и вышедшая позже статья были восприняты довольно спокойно. Никаких скандалов или бурных восторгов, задали несколько вопросов, поздравили с грандиозными выводами и пожелали успехов. Я думаю, всё дело в том, что вакуум с ненулевой плотностью воспринимался тогда, как экзотика. Да и сейчас это выглядит экзотично.

 Ты все спрашиваешь про догадки по поводу инфляции. Но есть еще одна важная вещь, завершающая картину: квантовые флуктуации. В принципе, квантовые флуктуации в ранней Вселенной могут давать реальные гравитационные волны и неоднородности плотности. Сначала думали, что это может реализовываться лишь в анизотропной Вселенной. Однако, Леонид Грищук показал, что гравитационные волны рождаются из квантовых флуктуаций и в обычной космологии Фридмана, где никакой анизотропии нет. Зельдович поначалу отрицал такую возможность, но, почитав наброски Грищука, согласился и предложил писать совместную статью. Но статья была уже написана, и Грищук опубликовал ее сам.

Леонид Грищук. 1941 — 2012. ГАИШ МГУ (1967 — 1994), Университет Кардиффа, Великобритания (с 1995) (asronet.ru)

Леонид Грищук (1941 — 2012) ГАИШ МГУ (1967 — 1994), Университет Кардиффа, Великобритания (с 1995) (asronet.ru)

   Я в те времена сделал работу в том же направлении, но не для гравитационных волн, а для скалярных возмущений, благодаря которым, в конце концов, во Вселенной сформировалась структура, включая галактики и их скопления, и то, что наблюдается, как флуктуации реликтового излучения.  Основной результат очень прост: если есть любая нестационарность —  любое изменение метрики пространства со временем, то квантовые гравитационные флуктуации усиливаются и выливаются в реальные флуктуации метрики и, в конечном счете, плотности энергии. Я сделал это для общего случая нестационарной Фридмановской Вселенной. Сейчас это совершенно очевидно, но тогда было не тривиальным. Все понимали важность открытого тогда квантово-гравитационного эффекта рождения затравочных неоднородностей для образования галактик — ведь он был реально проверяем (каталоги распределений галактик уже начинали создаваться).

БШ — Еще ведь работа Алексея Старобинского была чуть раньше, чем знаменитая статья Алана Гута. Короче, как обычно, до первооткрывателя почти все уже было сделано.

ВЛ  — Важно то, что Гут ясно и недвусмысленно назвал все вещи своими именами. Вот дом, вот стена, вот крыша… Именно благодаря ему в космологии образовалась новая парадигма.     

БШ — Давай назад, к работе Старобинского. 

ВЛ — Да, интересно проследить, как возникал ручеёк инфляционных моделей в период от работы Дымниковой и Глинера до знакомой всем статьи Гута (а дальше уже потекла река). Я хорошо помню как в конце 70-х в нашу группу приехал Виктор Гурович из г. Фрунзе (ныне Бишкек) со своими новыми моделями, где было и экспоненциальное расширение и отскоки от сингулярности, но опирались эти сценарии не на «вакуум Глинера», а на неэйнштейновскую гравитацию с добавлением к гравитационному действию квадратичных по тензору Риччи членов (напомним, что гравитационное действие Гильберта-Эйнштейна пропорционально скаляру Риччи R). Тогда многие приезжали к Зельдовичу как к «коронованному авторитету» в области космологии, — в его силах было либо зарубить статью, либо дать добро на публикацию. Статья Гуровича была опубликована в ЖЭТФ и получила дальнейшее развитие в совместных работах со Старобинским, но члены типа R^2 там закладывались руками и не имели физического обоснования. Однако идея попала на благодатную почву — Алексею удалось показать, что квадратичные поправки к действию возникают в однопетлевом приближении к квантовой гравитации. Каждое материальное поле входит со своим коэффициентом, но геометрическая структура поправок универсальна — это билинейные формы, составленные из тензоров кривизны Риччи и Римана. Тогда и появилась, так называемая, модель Старобинского, основанная на гипотезе о добавлении к действию Гильберта дополнительного члена, пропорционального квадрату скаляра Риччи R^2 (коэффициент, конечно, пришлось задавать феноменологически — количество и состав полей никто не знал). Эта космологическая модель модифицированной гравитации была физически мотивирована, она давала инфляционную ветвь раздувания при больших энергиях и подавляла тензорную моду возмущений в соответствии с наблюдательными требованиями.

БШ — Можно сказать, что это была первая достаточно проработанная модель инфляции?

ВЛ — Бесспорно, это была одна из первых моделей (не забывайте про вакуум Глинера!), но насколько она реальна — покажет время. Во-первых, не понятно, почему только R^2, ведь есть ещё и другие поправки. Очевидно, что R^2 это простейший (минимальный) вариант теории, просчитываемый до конца, — включение же и учёт дополнительных членов приводит к новым параметрам, которые никто не в состоянии оценить и настроить.

   В дальнейшем появилось множество других моделей инфляции, они посыпались как из рога изобилия. Я вспоминаю семинар Роки Колба в ЦЕРНе в начале 90-х годов: он перечислил около 30 «работающих» моделей инфляции, совместимых с космологическими наблюдениями. Этот рынок пока не убывает, и подвижек пока не видно: прямых физических экспериментов в области очень высоких энергий нет и не будет. Вся надежда здесь на косвенные эксперименты и новые идеи.

 Кстати, на примере инфляции интересно проследить, как изменилось физическое наполнение самого слова «гравитация» на протяжении ХХ века. Сам Эйнштейн не назвал ОТО теорией гравитации, хотя в статьях и устной речи это слово использовалось в основном как синоним «притяжения» или «тяготения».  В своих книгах термин «гравитация» использовал Владимир Фок, а одна из первых книг Зельдовича и Новикова так и называлась «Теория тяготения и эволюция звёзд». После открытия феномена инфляции выяснилось, что гравитация проявляется не только как притяжение, но и как отталкивание —  всё дело в свойствах материи и релятивистском давлении, которое тоже гравитирует и может изменить знак гравитационной силы (как, например, в однородном случае, когда e+3p < 0). В конце концов, стал очевидным тот факт, что притяжение и отталкивание — это два равноценных крыла релятивистской гравитации, описываемой ОТО или другими теориями.    

     PS — Интервью с Владимиром Лукашем было взято до публикации  финальных результатов экспериментов WMAP по измерению реликтового излучения и первых результатов более чувствительного эксперимента «Планк». Эти результаты уже закрыли целый ряд моделей инфляции, а какие-то поставили под сомнение. Видимо, утверждение, что рынок моделей инфляции не убывает, уже устарело. Из новых данных также видно, что модель Старобинского (вместе с группой других моделей, см. интервью с Андреем Линде) оказывается предпочтительней других: она лучше вписывается в совокупность данных.

    Еще одно важное замечание. Все, изложенное про проблески будущей парадигмы, подвержено аберрации места. Так история выглядит из России — она основана на личных впечатлениях, воспоминаниях и контактах участников. На самом деле, идея носилась в воздухе по всему миру, и догадки по поводу механизма космологической инфляции высказывались в той или иной форме людьми из разных стран еще до статей Старобинского и Гута. В  частности, в 1980 году японский физик Катсухико Сато опубликовал статью, где предложен механизм экспоненциального расширения, весьма  похожий на излагаемый ниже  сценарий Алана Гута. Однако, из статьи не видно, что автор понимал фундаментальную роль этого механизма. Другое имя, которое иногда звучит в связи с ранними версиями теории — Демосфенес Казанас. Однако, пионером все-таки был Эраст Глинер, хотя его идеи были выдвинуты в той форме, в какой они работать не могли. 

(продолжение следует)

Борис Штерн: Прорыв за край мира: 4 комментария

  1. Уведомление: Борис Штерн: Прорыв за край мира | СЕМЬ ИСКУССТВ

  2. Б.Тененбаум

    В РФ существовал проект, поддерживаемый фондом Д.Б.Зимина, «Династия», проводивший конкурсы на лучшие научно-популярные книги, изданные на русском. В духе времени фонд объявили «иностранным агентом», но, по-моему, конкурс все еще существует, и премии, присуждаемые им, ценятся повыше государственных. Ну, и в общем, остались пустяки: издать работу Б.Штерна в каком-нибудь приличном издательстве в виде книги, а уж дальше ей будет обеспечена премия, место в Библиотеке им. Тургенева, рассылка по местным библиотекам (это фонд и делает), и включение в каталог Президентской библиотеки в Баку — не знаю, но там собирают лучшие книги, издаваемые в РФ.

    P.S. Хотелось бы принести автору извинения за столь поздний по времени отзыв — номера «7 Искусств» очень значительны и по содержанию, и по объему, и просто физически невозможно прочитать все сразу.

  3. Б.Тененбаум

    Correction:
    включение в каталог Президентской библиотеки в Баку — не знаю ЗАЧЕМ, но там собирают лучшие книги, издаваемые в РФ.

  4. Марк Зайцев

    Ну, и в общем, остались пустяки: издать работу Б.Штерна в каком-нибудь приличном издательстве в виде книги

    Книга издана, так что до премии рукой подать. Я лично тоже «за».
    https://www.ozon.ru/context/detail/id/27914733/

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

AlphaOmega Captcha Mathematica  –  Do the Math