Ссылки для упрощенного доступа

logo-print

Научный детектив Алана Гута


Алан Гут

Алан Гут

Как было сделано одно из величайших открытий в физике, объясняющее формирование Вселенной на самых ранних этапах

В середине марта международная научная конгломерация, работающая на астрономической станции BICEP в Антарктиде, обнародовала результаты анализа полученных телескопом данных: в поляризации реликтового излучения видны завихрения специального вида, так называемые Б-моды (Радио Свобода уже подробно рассказывало об этом открытии). Реликтовое фоновое излучение – отпечаток очень раннего, "младенческого" состояния Вселенной в возрасте около 400 тысяч лет, когда в ней еще не сформировались ни планеты, ни звезды, ни галактики. Изучение реликтового фона – единственный прямой способ узнать, как происходило формирование нашего мира на самых ранних этапах.

Открытие, сделанное астрономами BICEP, состоит в том, что в фотографии юной Вселенной отпечатались события, произошедшие на еще более раннем этапе, до момента, когда Вселенная заполнилась горячим плотным веществом, что можно считать Большим взрывом. Согласно теоретическим предсказаниям, понимаемому в этом смысле Большому взрыву предшествовала стадия инфляции (буквально – раздутия), экспоненциального расширения Вселенной. Инфляция должна была сопровождаться возникновением гравитационных волн, и именно их отпечатки – Б-моды – были обнаружены в поляризации реликтового фона.

Таким образом, новый результат, если он будет подтвержден другими экспериментальными установками, в том числе космическим телескопом PLANCK, станет первым прямым экспериментальным подтверждением того, что инфляционная стадия действительно имела место. Человеческий разум никогда достоверно не проникал глубже в историю Вселенной.
Человеческий разум никогда достоверно не проникал глубже в историю Вселенной
Американский физик Алан Гут, работы которого начала 1980-х годов заложили основы теории инфляции (параллельно и независимо похожие идеи предложил советский ученый Алексей Старобинский) рассказал в интервью обозревателю Радио Свобода почти детективную историю своего теоретического открытия, объяснил, почему Вселенная напоминает застывающую пену множества пузырящихся миров, и сравнил результат BICEP с обнаружением бозона Хиггса.

– Стэнфордский университет снял эмоциональный видеоролик, в котором еще одному из отцов инфляции Андрею Линде сообщают об обнаружении Б-модов. А как вы узнали эту новость?

– На самом деле, еще за восемь дней до официального объявления результатов, в воскресенье, 9 марта, Джон Ковак (руководитель исследовательской группы BICEP2. – РС) написал мне, что нам кое о чем нужно срочно поговорить. Я, конечно, знал, что он работает над поиском Б-модов, а значит, его письмо может намекать на важные новости, но не слишком разволновался, потому что ожидал результата на уровне погрешности 2,5 сигмы (то есть вероятность ошибки чуть меньше 2 процентов. – РС), который потом вполне может и не подтвердиться.

– 5 сигм (вероятность ошибки меньше одной двухмиллионной, при таком значении стандартного отклонения в физике обычно считается, что результат достоверен. – РС) вы не ожидали?

– Нет, совсем не ожидал. Но Ковак сказал, что хочет немедленно увидеться со мной и приехал в MIT (Массачусетский технологический институт, где работает Гут. – РС) на следующий же день. Он дал мне копию проекта статьи и сказал про 5 сигм. Это меня, конечно, совершенно ошеломило: первые наблюдения Б-модов, и сразу же с таким результатом. Удивительные, невероятные новости.

– Думаете, данные других наземных станций и спутника PLANCK подтвердят этот результат?

– Шансы велики. Чтобы точно узнать, нужно подождать – думаю, примерно до октября-ноября.

– Вы ожидали, что подтверждение инфляционной теории может прийти именно через наблюдение Б-модов?

– Инфляционная модель подразумевает существование гравитационных волн, а из этого следует, что могут наблюдаться Б-моды. Но потенциальная интенсивность Б-модов очень сильно зависит от того, в какую именно версию Возможные отпечатки гравитационных волн

Возможные отпечатки гравитационных волн


инфляционной теории вы верите. И многие из этих версий предполагают настолько слабые Б-моды, что мы бы в принципе никогда не смогли их обнаружить. Так что, даже предполагая, что инфляционная модель верна, нельзя было рассчитывать, что Б-моды обязательно найдутся. То, что это произошло, – удивительно и отрадно. Надеюсь, наблюдение будет подтверждено и другими экспериментами.

– Вас не смущает неожиданно большая величина сигнала в результатах BICEP?

– Да, действительно, сигнал оказался сильнее даже, чем верхние границы, установленные для него исследователями на космических телескопах WMAP и PLANCK. Нужно будет понять, как соотнести эти результаты, но в принципе это вполне возможно. Верхние границы были основаны на косвенных оценках, они использовали дополнительные предположения. Теперь нужно посмотреть, насколько эти предположения были оправданны. Данные BICEP2 основаны на реальном наблюдении поляризации реликтового фона, то есть Б-моды были фактически увидены в небе, это намного более прямые данные, ошибка здесь может быть разве что в самом эксперименте. Разумеется, как и всякий новый результат, эти данные должны быть дополнительно подтверждены и приняты научным сообществом.

– Могут ли найтись альтернативные объяснения для Б-модов, не связанные с инфляцией?

– Это очень важный вопрос. На данный момент другого объяснения нет. Разве что можно предположить, что они видны в данных из-за шума, возникающего как следствие гравитационного линзирования. Но этот эффект на BICEP2 старались очень аккуратно отделить от результата. Несомненно, люди будут искать альтернативные объяснения, но думаю, маловероятно, что будет найдено что-то настолько же убедительное, как инфляционная теория.

– Давайте перенесемся на тридцать пять лет назад, в конец 70-х годов, когда вы придумали инфляционную модель. Как вам это удалось?

– О, эту историю я с удовольствием расскажу, в ней много неожиданных поворотов и счастливых совпадений. Осенью 1978 года произошли два события, благодаря которым все и завертелось. Я был постдоком в Корнельском университете и пошел на лекцию Боба Дикке, который приехал прочесть ее из Принстона. Дикке рассказывал о проблеме плоской Вселенной, которую он объяснял примерно так: скорость расширения Вселенной в самые первые моменты ее существования должна была быть очень конкретной, определенной с точностью до 14 знаков после запятой, иначе наш мир не стал бы таким, каким мы его знаем. Если бы Вселенная расширялась хоть немного быстрее, она бы просто разлетелась на куски, и в ней бы не смогла сформироваться никакая структура. Если же расширение шло бы хоть немного медленнее, то Вселенная бы быстро сколлапсировала, опять же без шансов на появление галактик, звезд и планет. Совершенно непонятно, каким образом произошла такая тонкая настройка.
Если бы Вселенная расширялась хоть немного быстрее, она бы просто разлетелась на куски
Я тогда не занимался космологией, моей специальностью была теория элементарных частиц. Но вся эта история показалась мне очень увлекательной и запала в память. Потом произошло второе событие. В том же семестре ко мне подошел другой постдок, Генри Тай, который тогда интересовался GUT (“теориями великого объединения"). Тай спросил, не вижу ли я связи между GUT и магнитными монополями. Монополями я занимался, а вот про GUT не знал ничего. Генри пришлось меня просветить, и мне стало понятно, что из GUT действительно должно следовать существование магнитных монополей. Правда, выходило, что они должны быть очень тяжелыми: в 10 в 16-й степени раз тяжелее, чем протоны. Я сказал Генри, что нам нужно все это выбросить из головы. Но он, подумав буквально несколько секунд, предложил, тем не менее, посчитать, сколько магнитных монополей могло возникнуть во время Большого взрыва. Сначала мне это показалось дурацкой затеей. Мы не так уж много знали о Большом взрыве, а я все еще не слишком хорошо разбирался в GUT. Сложно, совмещая два белых пятна, рассчитывать получить что-то разумное. Но Генри настаивал. У нас у обоих были другие темы для работы, так что это не был проект первостепенной важности, но мы потихоньку им занимались.

Примерно через полгода, весной 79-го, произошло еще одно важное событие, которое оказало на меня большое психологическое влияние. Стивен Вайнберг приехал к нам в Корнелл. Он в то время должен был вот-вот получить Нобелевскую премию и работал над похожими сумасшедшими идеями, искал способы приложить GUT к космологии, пытался залезть в момент 10 в минус 35-й степени секунд после Большого взрыва, думал над тем, откуда в мире взялся избыток материи над антиматерией. Все это требовало применения очень необычных, неортодоксальных методов. Я испытывал к Вайнбергу колоссальное уважение и решил, что раз уж он не боится пользоваться этими бредовыми идеями, то, может быть, они не такие уж бредовые?

– И вы с Таем активизировались?

– Да, вскоре после отъезда Вайнберга мы пришли к выводу, что если объединить классическую космологию и GUT, то из теории получается, что магнитных монополей на заре времен должно было создаться слишком много. Так много, что мир должен был бы выглядеть совсем иначе, в частности, Вселенная должна была бы остыть до температуры 2,7 Кельвина примерно за 10 тысяч лет (считается, что это произошло намного позже, когда Вселенной было больше 400 тысяч лет. – РС). Словом, мы пришли к противоречию, стали чесать головы и думать, нельзя ли все же как-нибудь "поженить" GUT и космологию так, чтобы не было этого огромного перепроизводства магнитных монополей. И додумались, что монополей не было бы так много, если бы в младенческой истории Вселенной был период очень быстрого и сильного охлаждения. Потом – и я почти уверен, что это была идея Генри, – мы решили посмотреть, какой эффект это суперохлаждение могло оказать на расширение Вселенной.

– Этот эффект и есть инфляция?

– Как-то ночью в декабре 1979 года я написал уравнения, описывающие расширение Вселенной, и добавил к ним еще одно, учитывающее суперохлаждение. Стоит только записать эти уравнения, как сразу же становится ясно, что суперохлаждение предполагает, что в истории Вселенной был период экспоненциально быстрого расширения – того, что позже и стало называться инфляцией. В ту же ночь я понял, что это экспоненциально быстрое расширение решает проблему плоской Вселенной, о которой я узнал от Боба Дикке. Я пришел в сильное возбуждение и на следующий же день позвонил Генри. А вот он впечатлился не так сильно, как я. Мы и так работали над этим проектом довольно долго, и из-за меня дело постоянно затягивалось, мы никак не могли ничего опубликовать. В конце декабря Генри должен был уехать на шесть недель в Китай, в то время это было путешествием в абсолютно другой мир.
Алан Гут во время интервью в своем новом офисе

Алан Гут во время интервью в своем новом офисе

Генри очень хотел, чтобы до его отъезда было закончено хоть что-то. В итоге мы быстро написали статью, в которой была описана наша идея со сверхохлаждением, но не было ни слова о том, какое влияние оно могло оказать на эволюцию Вселенной, на скорость ее расширения. Перед тем, как Генри отправился в Китай, я спросил, не будет ли он против, если я продолжу работать над экспоненциальным расширением уже один. Он сказал – нет проблем.

– И в итоге вся слава досталась вам.

– Было еще одно удивительное совпадение. Как раз в том же декабре мне предложили годовой контракт в SLAC (Стэнфордский центр линейных ускорителей), и я переехал в Стэнфорд. И вот как-то, когда Генри был уже в Китае, я обедал в столовой SLACа. Несколько моих приятелей стали за столом обсуждать космологическую проблему горизонта, о которой я никогда до этого не слыхал. Я попросил их объяснить, в чем вопрос, и, кажется, прямо тут же за обедом понял, что инфляция решает и его. Все сложилось буквально в один момент, как пазл. И в конце января 1980 года я уже впервые рассказывал об инфляционной модели на семинаре

– Вашу теорию быстро признали в научном сообществе?

– Частью сообщества, в частности, специалистами по элементарным частицам, она была принята очень быстро. Надо сказать, что мне несказанно повезло еще кое в чем. В тот же год, когда я работал в SLACе, там же занимал временную позицию Сидней Колмэн, известный физик-теоретик из Гарварда, обладавший большим научным авторитетом во всем мире. Инфляция Колмэну очень понравилась, и он стал рекламировать ее своим многочисленным друзьям по всей стране. Это было намного эффективнее, чем если бы я сам ездил по университетам и рассказывал о своих идеях. Подозреваю, мне понадобилось бы больше времени даже не на то, чтобы убедить людей в своей правоте, а на то, чтобы в принципе заставить их себя слушать. Но в итоге я быстро стал получать предложения о работе, что, кстати, было очень уместно, собственно, ради этого и старался выступать с новой теорией на семинарах так часто, как только приглашали. Одно из этих предложений, от MIT, я и выбрал, и работаю здесь до сих пор. В общем, не могу сказать, что в инфляцию поверили сразу все. Но поверили достаточно многие для моего стремительного карьерного взлета. Это была история мгновенного успеха.

– Давайте из прошлого перенесемся в будущее и представим себе, что инфляционная модель окончательно подтвердилась. В каком направлении мы должны двигаться дальше?

– Инфляционная модель – это парадигма, а не проработанная теория, это скорее технический аппарат, который может быть встроен в различные физические теории. Иначе говоря, есть много версий теории инфляции. Нам предстоит понять, какая из них описывает наш мир. Пожалуй, одной из наиболее существенных проблем, связанных с инфляционными моделями, является проблема меры. Мера здесь – математический термин, который означает в данном случае способ вычисления вероятности происходящих во Вселенной событий.

Смотрите, большинство инфляционных моделей, хотя и не все, приводят к феномену, который можно назвать вечной инфляцией: если инфляция началась, она никогда уже полностью не остановится. Попробую объяснить, почему это так. Инфляция, то есть экспоненциально быстрое расширение Вселенной, происходит благодаря некоторым метастабильным процессам, которые могут остановиться, а могут и нет. Это похоже на радиоактивность: нельзя сказать, что данный атом урана вот-вот распадется, потому что ему столько-то лет. Атом урана может с некоторой вероятностью распасться в любой момент, независимо от его возраста. Но у урана есть такое качество, как период полураспада, это время, за которое в среднем половина атомов образца распадутся. Похожий феномен есть в большинстве инфляционных моделей: за определенное время в среднем половина изначального объема расширяющейся области больше не будет расширяться. Но по сравнению с радиоактивным полураспадом есть существенная разница: пока одна половина области Вселенной перестанет расширяться, другая успеет экспоненциально вырасти в размере! То есть если радиоактивность куска урана со временем ослабевает, то область Вселенной продолжит экспоненциально расширяться. Нет никаких теоретических причин, почему бы экспоненциальное расширение должно было остановиться.

Правдоподобная картина, в которую укладывается эта вечная инфляция, заключается в том, что у нас есть не одна Вселенная, а сразу множество вселенных или, если объединить их всех одним названием, – Мультивселенная. Эта Мультивселенная продолжает безостановочно экспоненциально расширяться, а вот в ее отдельных кусках, где инфляция остановилась, происходят локальные большие взрывы, и возникают так называемые "карманные" вселенные, которые уже не растут так быстро. Собственно, в одной из них мы и живем. И эти вселенные надуваются снова и снова, их число растет экспоненциально быстро.

– Похоже на какую-то постепенно застывающую и все разрастающуюся пену.

– Да, очень хорошее сравнение. Давайте вернемся к проблеме меры: причем же здесь вероятности событий? Обычно мы говорим, что некоторый тип события в два раза более вероятен, чем другой, если события этого типа происходят в два раза чаще. Но в Мультивселенной абсолютно любое событие, которое в принципе может случиться, произойдет бесконечное количество раз. Любое событие повторится в какой-нибудь очередной "карманной" вселенной, нужно только подождать достаточно долго, а потом еще раз и еще раз, и так до бесконечности. Чтобы сравнить вероятности двух событий, придется сравнить две бесконечности, а это довольно сложно сделать. Тут есть разные методы, можно ограничиваться конечным набором "карманных" вселенных и считать вероятности только там, а потом, расширяя набор до бесконечности, переходить к пределу, но ничего хорошего не получается, нормальной сходимости нет. Вот этой проблемой занимаются многие ученые, и я в том числе. Прогресс есть, но пока небольшой, нам недостает фундаментального понимания. Это и есть будущее направление для работы.

– Подтверждение инфляционной модели, если оно действительно произошло, станет хронологически вторым важнейшим открытием XXI века после обнаружения бозона Хиггса. Их значение для развития науки можно сравнивать? Например, для многих ученых найденный бозон Хиггса был поводом для разочарования, потому что он подтвердил теоретические предсказания, но закрыл многие возможные альтернативы. С инфляцией другая ситуация?

– Различий между этими открытиями много. Во-первых, Стандартная модель требовала обнаружения бозона Хиггса. Если бы он не нашелся, пришлось бы пересматривать и Стандартную модель. А теория инфляции не предполагала обязательного обнаружения Б-модов. Как я уже говорил, некоторые инфляционные модели предполагали, что Б-моды будут заметны, а другие – что мы их никогда не увидим. В этом смысле обнаружение Б-модов было намного большим сюрпризом, чем открытие бозона Хиггса. Во-вторых, Стандартная модель – намного более четко определена, чем инфляционная, и бозон занимает в ней очень конкретное место, разве что его массу и мы не знали, а теперь выяснили. Вы правы, многие надеялись, что мы найдем не только бозон Хиггса, но и еще что-нибудь, вроде суперчастиц, которые открыли бы новые пути развития физики, а этого пока не случилось. Если говорить о Б-модах, их обнаружение накладывает существенные ограничения на возможные инфляционные модели, мы теперь знаем, какие из них нужно отбросить, а с какими продолжить работу. Кроме того, теперь мы точнее можем определить плотность энергии во Вселенной на самых ранних этапах ее существования, и это, кстати, может возродить интерес к GUT. Все это, конечно, при условии, что данные BICEP подтвердятся.

– Википедия утверждает, что вы в 2005 году получили приз за самый неряшливый кабинет и даже гордитесь этим. Это правда?

– Да, это правда. С тех пор я переехал в другой офис, и, как вы можете видеть, хотя особенно прибранным его не назовешь, на приз претендовать уже не получится. Но девять лет назад я получил приз за кабинет, который занимал до этого непрерывно на протяжении 15 или даже 20 лет, и все эти годы там копился Старый офис-призер Алана Гута

Старый офис-призер Алана Гута

всякий хлам, стопки книг и статей лежали повсюду. Когда газета Boston Globe объявила конкурс на самый грязный офис в Бостоне, коллеги решили номинировать меня, думали, я по этому поводу решу сделать уборку. Я, разумеется, убедительно победил, а сразу после этого нам пришлось съехать из здания, потому что в нем начался ремонт, так что уборкой заниматься так и не пришлось. Потом я переехал в новый кабинет, начал потихоньку устраивать хаос уже в нем, но прошло пока всего 9 лет, так что здесь пока относительно чисто.

– Это, конечно, был наводящий вопрос – вы ведь теперь можете претендовать на другую, самую важную в науке Нобелевскую премию.

– Знаете, не хочу ничего загадывать.

– И все же, многие говорят, что главные претенденты на очередную Нобелевскую премию – это вы, Андрей Линде и Алексей Старобинский. С Линде, как я понимаю, вы регулярно общаетесь, а вот работы Старобинского вам известны?

– Конечно, я читал многие его статьи.

– Правда ли, что в конце 70-х – начале 80-х он предложил аналогичную инфляционную модель параллельно и независимо от вас?

– Да, в этом есть правда. Я считаю, что в его работе были заложены важные основы теории, но есть люди, которые считают, что статья Старобинского содержала первое описание инфляционной модели. Я не могу судить, но, во всяком случае, мне кажется, что Старобинский не в полной мере осознавал мотивацию для построения инфляционной теории. В своей статье он указывает только на один повод – решить проблему начальной сингулярности, что, кстати, ему так и не удалось сделать. А проблема плоской Вселенной, проблема горизонта – обо всем этом в статье Старобинского не было ни слова. Но он, разумеется, сделал очень значительную работу и совершенно заслуженно получил за нее в прошлом году премию Грубера. А о том, какое именно место его исследования занимают в общей истории открытия инфляции, пусть судят другие.
XS
SM
MD
LG