Не успел в полную силу заработать Большой адронный коллайдер, а ученые уже думают о строительстве установки в семь раз мощнее. Физики убеждены: мы на пороге открытий, которые в корне изменят представления о мироздании. Один из них — академик Алексей Старобинский
— Алексей Александрович, как открытия в фундаментальной физике, на ваш взгляд, изменят наши представления об устройстве Вселенной?
— Космология состоит из двух частей. Первая изучает Вселенную какая она есть сейчас, из чего состоит. А вторая — историю Вселенной. Соответственно, речь о разных задачах. В космологии современной Вселенной это вопрос о двух новых видах объектов, так называемой темной материи и темной энергии. Наша задача их обнаружить, изучить и посмотреть, как они взаимодействуют с видимой материей, поскольку по астрономическим данным мы уже знаем, что они вносят основной вклад в полную (то есть совокупную.— "О") плотность материи.
— Но мы хотя бы можем сказать, что это такое?
— Темная материя — это что-то состоящее из частиц, подобных знакомым нам протонам, нейтронам и электронам. Но при этом темная материя с обычными частицами не взаимодействует и поэтому до сих пор не обнаружена в наземных экспериментах. А вот темная энергия — это, наоборот, что-то состоящее не из частиц, что-то вакуумоподобное, размазанное по пространству.
— По разным оценкам, доля темной энергии и темной материи доходит до 70-80 процентов от общего объема Вселенной. Выходит, мы не сильно продвинулись в познании...
— Более того, возвращаемся к дискуссии порядка двухтысячелетней давности между Платоном и Демокритом. Демокрит был сторонником корпускулярной теории, то есть считал, что мир состоит из частиц. А Платон, наоборот, был сторонником того, что мир — это нечто такое бесформенное, однородное. Сегодня оказывается, что они в каком-то смысле оба правы, только речь идет о разных видах материи. Темная материя ближе к тому, что думал Демокрит, а темная энергия — к тому, что думал Платон.
— Когда говорят о том, что нужно исследовать темную материю и темную энергию, что имеют в виду? Пока ведь ни то, ни другое даже не обнаружено!
— Не обнаружено, но в их исследовании мы достигли достаточно большого прогресса. Что значит исследовать свойства известных частиц? Это значит, что надо измерить их заряд, действующие электромагнитные силы, давление. Здесь же мы сами частицы не видим, а изучаем их по их гравитационному взаимодействию. Зная, чем создается по современным представлениям гравитация, мы можем посчитать и плотность, и массу, и давление. То есть наша основная задача сейчас — уточнять уравнение состояния темной материи и темной энергии. С такой космологической точки зрения они не совсем загадочны. Например, мы уже поняли, что темная материя состоит из почти бесстолкновительных (то есть тех, что практически не взаимодействуют друг с другом.— "О") частиц.
— А что мы знаем о темной энергии? Как ее-то "пощупать"?
— Мы знаем, что она очень близка к предложенной Эйнштейном космологической постоянной (то есть к вакууму.— "О"). По Эйнштейну, космологическая постоянная — это такой специфический вид материи, у которой давление отрицательно. Представьте себе натяжение, как в растянутой резинке, только оно направлено во все стороны, и оно очень большое. Хотя я уверен, что темная энергия — не есть абсолютно точно космологическая постоянная, в частности, потому что она нестабильна — это не обязательное, но естественное ожидание. А если это так, то было бы замечательно пойти дальше Эйнштейна и найти какие-то признаки ее распада на видимую материю. Если такие процессы удастся обнаружить, это будет выход на колоссальный источник энергии.
— Хорошо, а что дают эти уравнения для понимания Вселенной?
— Мы сможем ответить, наконец, на один из самых загадочных вопросов: как связаны эти два новых вида материи с уже известными видами? Пока ответ "никак", но он никого не удовлетворяет, поэтому и ведутся масштабные эксперименты по обнаружению частиц темной материи как в наземных условиях, так и в космосе. По теоретическим представлениям, какое-то взаимодействие все-таки должно быть.
— Строительство детекторов для регистрации таких частиц — дело трудоемкое, учитывая, что их помещают то глубоко под землю, то под толщи воды. И во всех экспериментах пока полная тишина...
— Мы гарантируем экспериментаторам, что эти частицы должны в конце концов открыть. По нашим оценкам, ученым не хватает точности в один-два порядка. Кроме того, помимо экспериментов на Земле есть наблюдения за ее пределами при помощи спутников. Если в земных экспериментах мы можем определить, как частицы, составляющие темную материю, реагируют с обычными частицами, то по астрономическим данным можно понять, как они взаимодействуют друг с другом. Они могут взаимодействовать сильнее. На сегодняшний день в этом направлении ведется большая экспериментальная программа.
14 миллиардов лет спустя
— Какие же задачи стоят перед той частью космологии, которая изучает историю Вселенной?
— Нужно идти дальше в прошлое Вселенной. Сейчас мы довольно много знаем об инфляционной стадии (состояние расширения Вселенной до Большого взрыва.—"О"). Но мы знаем о ее конце, а было бы желательно сделать следующий шаг и пойти к ее началу, определить ее продолжительность.
— Вы говорите о продолжительности. Тогда что же имеется в виду, когда говорят, что инфляционная стадия вечна?
— Эти слова не надо понимать буквально. Они значат, что всегда где-то в другом месте пространства и даже в каком-то смысле и в другом времени можно найти инфляцию. Попросту говоря, все время где-то рождаются новые вселенные — новые куски пространства и времени. Но вот конкретно для нашей Вселенной, на нашей мировой линии, продолженной в прошлое, инфляционная стадия продолжалась конечное время. И было бы очень интересно измерить это время и понять, что было раньше, какие первоначальные условия существовали в начале инфляции, и еще желательно понять, что же все-таки было до нее. То есть мы хотим сделать еще один шаг в прошлое.
— А какие есть варианты того, что было до инфляционной стадии?
— Есть разные модели, но они пока на бумаге — нет ясного предсказания для эксперимента и наблюдений: что нужно делать, что искать. Это одно из направлений нашей работы. Есть несколько основных возможностей. Первая — это то, что мы называем отскок. То есть до расширения было сжатие, была какая-то Вселенная, похожая на нашу, а может, и не похожая, с низкой плотностью. Она сжималась, а потом по какой-то неизвестной причине избежала сингулярности (то есть состояния накануне Большого взрыва.— "О"), и сжатие сменилось расширением. Вторая возможность такая, что раньше наша Вселенная не существовала сама по себе, а была частью какой-то Сверхвселенной, частью чего-то еще более сложного.
— Когда вы говорите о шагах в прошлое, это как?
— Мы ищем артефакты. Таким модным словом я называю что-то такое неизменное, неискаженное — черепки, оставшиеся нам от сверхдалекой в прошлом, сверхплотной Вселенной. Другое дело, что с каждым шагом вглубь прошлого становится все сложнее их найти. Но пока это возможно.
— Если я правильно понимаю, то первым таким артефактом стало обнаружение реликтового излучения — того "светового выброса", который возник в момент рождения нашей Вселенной и "дожил", то есть отслеживается, до сих пор. Второй артефакт — открытие неоднородности этого излучения, которое подтверждает вашу теорию о том, что микроскопические квантовые флуктуации в итоге выросли до размеров галактик. То есть мы сами и весь видимый мир — следствие этой квантовой ряби. И какие артефакты вы будете искать дальше?
— Следующий важнейший этап — проверить другое предсказание, которое я сделал в 1979 году, а именно — найти первичные гравитационные волны. Это было бы важнейшим аргументом, окончательно подтверждающим всю теорию инфляции — подобно тому, как открытие бозона Хиггса окончательно подтвердило всю теорию сильных, электромагнитных и слабых взаимодействий, которая развивалась полвека до этого. Открытие первичных гравитационных волн было бы прямым доказательством того, что гравитация квантуется (состоит из частиц.— "О") и существуют гравитоны — кванты гравитации. Это задача не простая, но достижимая: нужно еще на порядок поднять чувствительность приборов — сейчас как раз планируется очередная международная космическая наблюдательная программа. В ближайшее десятилетие до необходимой величины дойдут.
— Космология впервые получила экспериментальное подтверждение в 1970-е — когда было открыто реликтовое излучение. С тех пор в нее вкладывают серьезные бюджетные и частные средства. Будет ли это интересно государствам и дальше?
— Эксперименты действительно дорожают, но и государства-заказчики богатеют, так что в процентах валового национального дохода это пустяк. Если бы мы тратили на фундаментальную науку 2,5 процента от национального дохода, как и многие другие страны, этого бы хватило, чтобы открыть очень многое. Один только факт: при подготовке последней Олимпиады строительство дороги из нижнего олимпийского центра в верхний стоило не меньше, чем американский марсоход, который сейчас трудится на Красной планете.
Другое дело, что какие-то глобальные эксперименты не стоит делать силами одной страны, необходима коллаборация — взаимодействие, что и происходит. Например: Америка — страна богатая, но она обсуждает одну национальную миссию, а другой проект готовит Евросоюз. Европейцы, кстати, выбрали менее интересный с точки зрения фундаментальной науки полет к Юпитеру и его спутникам Ганимеду, Каллисто и Европе, чтобы посмотреть, нет ли там какой жизни. Зато это более зрелищно, впечатляет...
Параллельные миры
— Согласно теории инфляции, одновременно с нашей Вселенной создалось множество параллельных вселенных. Что мы можем о них сказать? Это такие же миры, как наш?
— Эти вселенные отличаются только тем, что там звезды находятся в других местах. Но есть разные спекулятивные теории, которые говорят, что наша теория элементарных частиц — Стандартная модель — не есть единственно возможная, а есть еще много других. Если это так, то ничто не мешает тому, чтобы в этих параллельных вселенных реализовалась бы другая физика, то есть там возможны другие физические силы и возможна другая жизнь. Впрочем, попасть в эти миры можно, только вернувшись в прошлое — в момент инфляции, а это невозможно. Стало быть, чтобы понять, что там происходит, нужно научиться правильно рассчитывать такую альтернативную физику. Пока мы этого не умеем.
— Научные открытия всегда очень тесно связаны с мировоззрением, с восприятием себя и Вселенной. Как, на ваш взгляд, изменят человека последние открытия?
— С мировоззренческой точки зрения главное в том, что мы поняли: наш мир — а под словом "мир" я понимаю нечто большее, чем буквально наша Вселенная,— грандиозно более сложен, чем мы думали. Сейчас мы всерьез обсуждаем и другие вселенные, которые оторваны от нашего трехмерного пространства, и то, что подобные миры рождаются все время и в колоссальном количестве. Все это вызывает разные вопросы. Один из них — на стыке науки и религии: это мир для нас или не для нас? Пока что не чувствуется, что он создан специально для нас. Мы занимаем в нем настолько малое место, что предполагать, что он создан для нас, все меньше и меньше оснований.
— Звучит не очень оптимистично...
— Ну, все не так плохо... Случаются же маловероятные однократные события. Иногда религию критикуют, говоря, что она предсказывает чудеса, а чудес быть не может. Но правильное научное утверждение состоит в том, что если произошло чудо, понимая под чудом очень маловероятное событие, то не следует ждать его повтора. Например, число олимпийских чемпионов несравнимо меньше числа спортсменов в мире. Поэтому вероятность того, что наугад выбранный спортсмен окажется олимпийским чемпионом, ничтожна. Однако из этого не следует, что олимпийских чемпионов нет. Так что хотя факт, что этот мир создан не только для нас, несомненен, все равно он не исключает, что нам с вами сильно повезло — иными словами, мы и есть те самые олимпийские чемпионы.
Беседовала Елена Кудрявцева
Летописец Вселенной
Визитная карточка
Академик Алексей Старобинский — ученый с мировым именем, занимается космологией, то есть эволюцией Вселенной. Еще в 1979 году математически доказал, что до Большого взрыва, породившего нашу Вселенную, имела место инфляционная стадия, когда Вселенная расширялась с гигантской скоростью. Это открытие считается самым важным в теоретической физике за последние 30 лет: никому не удавалось заглянуть так далеко в прошлое мира. Сегодня инфляционная теория Старобинского блестяще подтверждается в наблюдательных экспериментах.
Работает в Институте теоретической физики им. Ландау, считается, наряду с Андреем Линде и Вячеславом Мухановым, одним из самых вероятных претендентов на Нобелевскую премию по физике от России. В 2013-м вместе с В. Мухановым получил самую громкую в космологии премию — премию Грубера. В тексте награждения о лауреатах сказано: они "изменили наш взгляд на происхождение Вселенной и на механизм ее формирования".
портрет
Алексей Старобинский, академик
Журнал "Огонёк" №9 от 10.03.2014, стр. 36
