Вселенная родилась раньше Большого взрыва!

Вячеслав Муханов и Алексей Старобинский получили престижную премию Грубера по космологии за 2013 год, составляющую 500 тысяч долларов на двоих. Если перевести формулировку премии на простой язык, получится следующее: «За радикальный вклад в понимание того, откуда взялась Вселенная и ее структура».

Общеизвестно, что наш мир появился в результате Большого взрыва. Это блестяще подтвердилось в середине 1960-х годов, когда удалось зарегистрировать реликтовое микроволновое излучение. Под Большим взрывом обычно понимается ранняя стадия эволюции Вселенной — расширение из сверхплотного состояния по закону Фридмана. Теория Большого взрыва была прекрасно подтверждена, но оставалось несколько убийственных вопросов, на которые не было ответа. Вот некоторые из них:

1. Вселенная удивительно велика и динамически сбалансирована. Чтобы она не «схлопнулась» в первые секунды своего существования или не разлетелась так, чтобы расстояния между атомами измерялись многими световыми годами, скорость расширения и плотность в первые мгновения должны быть выверены с невероятной точностью, типа 10-50. Что дало такую точность?

2. Вселенная всюду одинакова на миллиардах световых лет. Между тем, в первые мгновения Вселенной разные области, которые мы сейчас наблюдаем, «ничего не знали» друг о друге — не были причинно связаны. Иными словами, не хватало времени, чтобы со скоростью света передать сигнал от одной области наблюдаемого пространства к другой. Что же так согласовало параметры Большого взрыва в причинно не связанных областях пространства?

3. Вселенная однородна на больших масштабах. Но, чтобы смогли образоваться галактики и их скопления, должны существовать первичные неоднородности. Откуда они взялись?

Все эти вопросы с точки зрения теории Большого взрыва сводятся к начальным условиям: что так филигранно точно задало начальные условия Большого взрыва, что получилась огромная однородная Вселенная с галактиками?

Первые проблески появились еще в конце 1960-х годов. Уравнения общей теории относительности устроены так, что если плотность энергии вакуума не равна нулю (например из-за заполняющего его однородного физического поля), то гравитационный эффект от такого вакуума будет не тяготение, а расталкивание — растяжение, раздувание самого пространства. Первым эту идею на уровне общих соображений высказал российский космолог Эраст Глинер в 1969 году. Но тогда ее не восприняли всерьез. Триумф этой идеи, которая получила название «космологической инфляции» и позволила ответить на перечисленные выше вопросы, наступил в начале 1980-х. Приход новой космологической парадигмы традиционно ассоциируется с именем Алана Гута, который опубликовал подробный сценарий инфляции, оказавшийся неправильным, но зато весьма наглядным и пришедшимся по душе физикам частиц, которые ринулись в эту область исследований.

Теория космологической инфляции выглядит очень впечатляюще. Всё происходит за 10-34 секунды, или даже меньше. Зародыш Вселенной размером около 10-29 см за это время успевает раздуться на десятки порядков величины. Однородность будущей Вселенной и точный баланс между плотностью и скоростью расширения, т.е. правильные начальные условия для Большого взрыва, обеспечиваются автоматически с огромной точностью. Теория настолько проста и объясняет так много, что она быстро получила почти всеобщее признание.

Но Алан Гут был не первым. Незадолго до него была опубликована модель космологической инфляции, проработанная гораздо лучше и изящно справившаяся с той проблемой, о которую спотыкался сценарий Гута: переход от стадии инфляции к Большому взрыву, к горячей Вселенной, заполненной частицами. Автором этой модели был Алексей Старобинский. Модель Старобинского, как потом стало понятно, опередила время — она оказалась эквивалентной более поздним моделям инфляции, считающимся теперь самыми реалистичными.

Тогда же, в начале 1980-х, работа Старобинского прошла почти не замеченной. Может быть потому, что она была в основном технической и не содержала прямых тезисов о значении этого механизма — о том, что он решает основные проблемы космологии. По словам Алексея, он считал эти тезисы общим местом и полагал, что важнее подчеркнуть наблюдаемые последствия: то, что его механизм дает правильный (плоский) спектр затравочных неоднородностей плотности Вселенной. В то же время Алан Гут потратил много сил и времени на пропаганду теории инфляции и со своей неправильной моделью «пробил стену» в менталитете научного сообщества. Так что необходимо не только делать пионерские работы, нужно еще тратить массу сил на убеждение и вдалбливание новых идей в широкие научные массы.

Работа Старобинского требовала очевидного продолжения: механизм космологической инфляции генерировал неоднородности пространства. Это чисто квантовомеханический эффект: будущие галактики и их скопления появляются благодаря росту микроскопических квантовых флуктуаций, возникающих во время инфляции. Алексей продолжил работу, чтобы точно рассчитать спектр этих неоднородностей. Тем же самым, опираясь на только что опубликованную модель Старобинского, занялись Вячеслав Муханов и Геннадий Чибисов. Эта работа содержала серьезные технические сложности и Муханов с Чибисовым справились с ней быстрее. Они продемонстрировали, что спектр возмущений не абсолютно плоский, и показали, как и насколько он отклоняется от плоского в тех или иных условиях.

Прошло тридцать лет. Космические эксперименты WMAP и «Планк» (Planck) с высочайшей точностью измерили спектр неоднородностей реликтового излучения, который отражал те самые квантовые флуктуации плотности, растянутые на десятки порядков величины. Из данных этих экспериментов были получены и ограничения на реликтовые гравитационные волны, также связанные с механизмом инфляции. Оказалось, что большинство вариантов теории инфляции не вписывается в совокупность этих данных. А модель Старобинского, дополненная вычислениями Муханова и Чибисова, вписывается прекрасно. Так пришел звездный час работ, выполненных более четверти века назад.

На днях к титулам Алексея добавился еще один, пожалуй, самый популярный в России в настоящий момент: титул академика — «отказника». Он был одним из первых…

Спасибо Kitozavrу за помощь с материалом.