Материал подготовлен на основе радиопередачи «ПостНаука» на радио Говорит Москва. Ведущий — главный редактор проекта «ПостНаука» Ивар Максутов, гость эфира — доктор физико-математических наук Валерий Рубаков.

— Давайте начнем с того, что такое ранняя Вселенная. Почему есть ранняя Вселенная и какая-то другая?

— Под термином «ранняя Вселенная» понимают Вселенную, состояние которой очень сильно отличалось от того, что есть сегодня. Сегодня у нас есть галактики, скопления галактик, есть звезды, Земля, между которыми достаточно пусто и довольно холодно в среднем. Сейчас во Вселенной температура 2,7 кельвина. Это ниже, чем температура жидкого гелия. Она холодная, разреженная, сравнительно пустая в среднем. Раньше Вселенная была совсем другой, гораздо более горячей. Это экспериментальный факт. Вещество в ней было очень плотным, и, соответственно, никаких галактик там не было. Все было очень однородно, все вещество было в нулевом приближении везде одинаково. Никаких объектов вроде галактик, скоплений галактик или звезд и планет не было. Была довольно плотная среда, плазма. Такое состояние и называют ранней Вселенной.

— Что она собой представляла? Плотная, сравнительно маленькая?

— Что значит маленькая? Слово «маленькая» к Вселенной не относится. Вселенная на самом деле громадная, гораздо больше, чем та часть, которую мы видим. Это тоже экспериментальный факт. Поэтому она была никакой не маленькой, она была очень большой. Вещество в ней было очень плотное и горячее — вот в чем разница.

Рекомендуем по этой теме:
12795
Ранняя Вселенная

— Когда вы говорите про экспериментальный факт, я думаю, что это нужно пояснить.

— Самый простой экспериментальный факт, известный с середины 60-х годов, — это то, что во Вселенной есть реликтовое излучение. Мы знаем, что горячие тела излучают электромагнитное излучение. Если лампочка накаливания у вас горячая, она излучает свет. Если у вас на плите стоит чайник, он тоже горячий, но не до такой степени, он излучает более длинные волны в инфракрасном диапазоне. И во Вселенной была ситуация, когда вещество в ней было очень горячим, оно также испускало электромагнитное излучение. Это электромагнитное излучение дошло до наших дней. Это так называемое реликтовое излучение.

При очень высокой температуре, как мы знаем, атомы разваливаются на электроны и ядра, получается плазма. В основном во Вселенной был водород. Когда среда в состоянии плазмы, электромагнитное излучение очень хорошо рассеивается, поглощается, излучается свободными электронами, которые есть в этой плазме. Пока вещество было в плазменном состоянии, оно было непрозрачно для электромагнитного излучения. Когда Вселенная расширилась и из-за этого остыла примерно до 3000 градусов, в это время образовались атомы водорода, вместо свободных электронов и протонов появились атомы. Атомов было мало, примерно 250 штук в кубическом сантиметре, очень разреженный газ. Он был прозрачен для электромагнитного излучения, и оно до нас дошло с тех пор. Его температура сейчас не 3000 градусов, а 2,7. Но это просто из-за того, что пространство растягивается, Вселенная расширяется, а вместе с этим увеличивается длина волны этого излучения. Длинные излучения соответствуют более низким температурам, более низким энергиям. Когда обнаружили реликтовое излучение, стало ясно, что Вселенная была горячая. До этого думали, что, может быть, она была плотная, но холодная.

— Итак, есть горячая стадия, и она обнаружена экспериментально. Какие теории или какие идеи есть относительно существования Вселенной до горячего состояния?

— На самом деле это один из наиболее увлекательных вопросов не только в космологии, но вообще в естествознании. Мы твердо уверены, что была горячая стадия. Мы твердо уверены, что во Вселенной были температуры 10 млрд кельвинов. Это тоже экспериментальный факт. При таких температурах происходят термоядерные реакции. У нас на Солнце происходят термоядерные реакции. Там температура пониже, но во Вселенной из-за того, что были немного другие условия, термоядерные реакции происходили при температуре примерно 1 млрд градусов. Что такое термоядерная реакция? Это когда два протона сталкиваются, образуют ядро дейтерия. Потом эти ядра сталкиваются друг с другом, в конце концов все превращается в ядра гелия. В звездах эти реакции идут дальше. Горячая стадия Вселенной — это эпоха термоядерных реакций. Сколько образовалось элементов, дейтерия, трития, гелия-4, лития, можно предсказать на основании того, что мы знаем про расширение Вселенной. Физика термоядерных реакций тоже хорошо известна. Там есть один-два параметра, которые мы должны были бы определять из эксперимента во Вселенной, из наблюдений. У вас есть теория, в которой фактически вы однозначно предсказываете, сколько и каких элементов должно образоваться. Можно экспериментально искать, смотреть, сколько в первичном веществе Вселенной было тех или иных элементов — того же гелия, дейтерия, а затем сравнивать наблюдения и теорию. Давно есть согласие между теорией и экспериментом, поэтому нет никаких сомнений, что была эпоха термоядерных реакций, были температуры вплоть до 10 млрд кельвинов. Наверное, были еще более высокие температуры, но это уже теория. Прямого эксперимента, который бы это подтверждал, нет. Все представляют, что была такая горячая Вселенная.

Не все себе представляют, что перед этой горячей стадией была какая-то другая. Это тоже экспериментальный факт, который связан со свойствами неоднородностей во Вселенной. Мы знаем, что есть галактики, скопления галактик. Мы про них много чего знаем. Если бы Вселенная была бы однородна с самого начала, то никаких бы галактик не образовалось, вещество бы оставалось однородным, везде одинаковым. Но на самом деле было где-то чуть-чуть меньше вещества. Это проявляется в свойствах реликтового излучения. Температура того реликтового излучения, которое приходит с небесной сферы к нам, немного, но все-таки зависит от направления. Если вы смотрите в одну сторону, оно чуть более горячее, в другую сторону на небо смотрите — чуть более холодное. Из-за чего? Из-за того, что в том направлении было побольше вещества и оно было более горячим, а в другом направлении, наоборот, вещества было чуть меньше и оно было менее горячим. Это очень слабые эффекты, они были обнаружены только в начале 90-х годов, достаточно свежая история по меркам науки. По свойствам реликтового излучения, по тому, как оно распределено по небу, можно очень многое сказать о том, как были устроены неоднородности во Вселенной. Из их свойств знаем, что они образовались еще до горячей стадии. Это, вообще говоря, нетривиальное знание, но сейчас нет сомнений, что была стадия, на которой образовывались эти первичные неоднородности, из которых в конце концов получились галактики, скопления галактик, мы с вами. Это все произошло на очень ранней стадии, которая предшествовала стадии горячего расширения.

Рекомендуем по этой теме:
41407
FAQ: Вселенная до горячей стадии

— Неоднородность — имеется в виду распределение вещества во Вселенной?

— Да. Вещества в одном месте было чуть-чуть побольше, в другом месте чуть меньше. Там, где его побольше, получилась галактика. Там, где его оказалось поменьше, оттуда, наоборот, соседние галактики растаскивали вещество, сейчас там вещества нет — это межгалактическое пространство. Соответственно, скопления галактик — области большого размера, где вещества было чуть-чуть больше, чем в соседних областях.

— С чем связана такая неоднородность?

— Это, конечно, пока вопрос. Мы знаем довольно много о свойствах этих неоднородностей. Мы можем твердо заключить, что они образовывались на стадии, которая предшествовала горячей. Можно пояснить, откуда мы это знаем. Давайте будем считать, что горячая стадия была самой первой. Тогда, если мы пойдем в прошлое, мы упремся в Большой взрыв, момент, после которого сразу была огромная температура, огромная плотность вещества, Вселенная быстро расширялась. Если мы остаемся в рамках теории горячей Вселенной, думаем, что первая стадия была горячей, было такое начало эволюции Вселенной. Это было конечное время назад, примерно 14 млрд лет назад. Теперь представим себе, что мы испустили сигнал в момент Большого взрыва. За конечное время он проходит конечное расстояние. С учетом расширения Вселенной к сегодняшнему дню он прошел расстояние примерно 45 млрд световых лет: за 14 млрд лет он пролетел расстояние в 14 млрд световых лет, да еще Вселенная растянулась. К моменту, когда образовалось реликтовое излучение, освободилось, стало путешествовать, этот размер был гораздо меньшим. К тому моменту этот размер был примерно миллион световых лет. Этот размер — максимальный размер области, которая была причинно-связанной. То есть такой, где в принципе мог происходить обмен сигналов. В рамках теории горячего Большого взрыва никаких больших масштабов, расстояний быть не могло. А мы знаем, что были неоднородности большего размера к моменту рекомбинации. Мы знаем, что, когда размер горизонта был миллион световых лет, были в десятки раз большего размера неоднородности. Они были маленькими по амплитуде, но по размеру были гигантские. Они не могли образоваться, иначе это противоречило бы принципу причинности. Невозможно ничего сделать больше, чем размер, на котором вы способны обменяться сигналами. Они образовались раньше. Есть много других, но это простое пояснение, откуда мы знаем, что они образовались, что на самом деле Большой взрыв — это неправда в том смысле, что горячая стадия была не первой, а до этого была другая стадия. И все наши представления о горизонте на самом деле неправильные. И на той, предыдущей стадии картинка была совершенно другой.

— Здесь нужно еще раз проговорить этот момент. Есть теория Большого взрыва, которая объясняется в школах, в популярных фильмах, кажется единственной понятной теорией для объяснения возникновения Вселенной. И вы сейчас говорите, что это неправильная история.

— Не то что она совсем неправильная, но она неполная. Мы уверены, что стадия горячего расширения — это была не первая стадия, до этого была еще одна стадия. Какая — это область гипотез, хотя мы довольно много начинаем про нее понимать, а может, скоро будем уверенно знать, что именно это было. Зависит от того, какие экспериментальные данные подтвердятся, а какие нет. Была стадия, которая отвечает за все неоднородности, за галактики, за скопления галактик, за нас с вами. Там образовались зародыши этих неоднородностей, потом пошла их эволюция. В конце концов появились галактики. Свойства этих неоднородностей таковы, что они не могли образоваться на горячей стадии эволюции Вселенной.

— Какие есть объяснения?

— Объяснение есть очень правдоподобное. Это так называемая космическая инфляция. На горячей стадии темп расширения Вселенной замедляется. Если у вас есть гравитационное взаимодействие и вещество разлетается, то гравитационные взаимодействия стремятся замедлить его расширение. Это следует из решения уравнений общей теории относительности. На стадии инфляции (это пока еще гипотеза, но теоретически очень хорошо проработанная) происходит ускоренное расширение, темп расширения растет. Из-за этого все свойства другие. В частности, из-за гигантского темпа расширения — он еще и растет — за очень короткие промежутки времени свет успевает пролететь громадные расстояния. За мельчайшие доли секунды сигналы успевают фактически разбежаться на огромные расстояния. Такое быстрое, эффективное расширение Вселенной — это и есть космическая инфляция. Тогда было совершенно другое вещество во Вселенной, совсем негорячее, совсем неплотное, очень однородное. Но приспособленное для того, чтобы такой режим эволюции изготовить.

Рекомендуем по этой теме:
10974
Ускоренное расширение Вселенной

— Чего не хватает этой теории? Вы говорите, что она хорошо проработана.

— Чуть-чуть не хватает экспериментальных данных. Надо сказать, наши соотечественники сыграли большую роль в становлении теории инфляции. Первая работающая модель инфляции была предложена Старобинским. Первая работа про неоднородности плотности энергии на стадии инфляции была Муханова и Чибисова. Они обнаружили, что на стадии инфляции действительно образуются, генерируются те самые неоднородности, которые нам хочется иметь, из которых в конце концов получаются галактики. Их первоначальный источник — вакуумные флуктуации. Вакуумные флуктуации чего? Всяких полей. Мы знаем, что вакуум — непростая среда. Флуктуации оказывают влияние на наблюдаемые вещи.

— Это мы сейчас знаем. А школьный курс описывает вакуум совсем иначе. И те люди, которые дальше школьного курса не пошли, представляют вакуум как нечто совершенно пустое.

— Это неправильно. Вакуум очень непрост. Там все время возникают флуктуации всяких полей, например электромагнитных. Эти флуктуации электромагнитных полей взаимодействуют, например, с электронами и атомами. Результатом этого являются наблюдаемые эффекты. Великолепно рассчитанные с точностью в 10 знаков после запятой и с такой же точностью проверенные. Так что-то, что есть флуктуации полей, влияющие на электроны, позитроны, — это надежно установленный факт. Вообще, все поля, какие есть в природе, флуктуируют. Если у вас есть быстро изменяющаяся геометрия, быстро растягивающееся пространство, эти вакуумные флуктуации могут многократно усилиться до такой степени, что они уже перестанут быть слабенькими и еле заметными, а станут довольно большими по амплитуде. Такое усиление теоретически хорошо описывается, оно, скорее всего, и ответственно за то, что во Вселенной появились неоднородности. Во всяком случае, то, что мы знаем об этих неоднородностях, отлично укладывается в такую картину: был вакуум, были флуктуации всяких полей, потом пространство быстро растягивалось, и эти вакуумные флуктуации усиливались. Усилились до такой степени, что стали вполне наблюдаемыми, и из них образовались галактики. Мы с вами — дальние отпрыски вакуумных флуктуаций всяких полей, которые были во Вселенной.

— Правильно ли понимаю, что теория инфляции и теория Большого взрыва несовместимы?

— Абсолютно совместимы. Надо, чтобы эта стадия инфляции в какой-то момент закончилась. А та энергия гигантской плотности должна перейти в тепло. Как только энергия перешла в тепло, пошла горячая стадия. Они очень хорошо сопрягаются друг с другом. Как именно произошел этот процесс перехода от инфляционной стадии к горячей — это опять пока экспериментально не известно. Найти экспериментальное проявление очень трудно, так как это происходило в первые доли секунды после Большого взрыва. Но теоретически понятно, что это вполне могло происходить.

— Вы несколько раз подчеркнули, что теория инфляции хорошо объясняет происхождение неоднородностей. Есть еще теории, которые это объясняют?

— Те экспериментальные факты, которые мы с вами видим, относящиеся к неоднородностям, к возмущениям, можно пытаться описывать другими гипотезами, не обязательно инфляционной. Хотя теоретически это заметно менее красиво. Но природа не обязана следовать нашим идеалам красоты. Поэтому вполне достойное занятие, на мой взгляд, пытаться искать альтернативные объяснения. В принципе, могло быть такое, что вместо расширения с большой плотностью энергии и с гигантским ускорением могло происходить то, что называется отскок. Что Вселенная могла стартовать, наоборот, с сжимающейся фазы, потом остановиться в своем сжатии и перейти на стадию расширения. Тогда хватает времени и возможности для того, чтобы тоже усилить вакуумные флуктуации, но не на стадии инфляции, а на стадии сжатия. Такие модели с отскоком тоже есть. Если постараться, они тоже могут объяснить свойства первичных неоднородностей. В этом смысле инфляция пока остается гипотезой, есть конкурирующие гипотезы, менее симпатичные, но имеющие право на существование.

— Как связана эта теория с неким продолжением? Теория ранней Вселенной и ее возникновения отвечает на вопрос, что будет дальше?

— Есть идея о том, что Вселенная пульсирует, что она сжимается, растягивается, останавливается в своем расширении, опять сжимается и так бесконечно пульсирует. Такая гипотеза есть. Как ее проверить, непонятно.

— Какое место в развитии космологии занимает технический прогресс?

— Космология как настоящая экспериментальная наука, где есть много данных высокого качества, возникла 25 лет назад. До этого наблюдательные данные были очень скудные. Телескопы были тогда достаточно приличные, но тем не менее они не могли проникнуть во все уголки Вселенной. Сегодня технический прогресс таков, что огромный кусок видимой части Вселенной очень детально изучен. Это, конечно, задача невообразимая 25 лет назад. Сегодня есть каталог, где присутствует более миллиона галактик, для них измерено не только положение на небесной сфере, но и расстояние. Это, конечно, невозможно было бы, не будь современных технологий получения, обработки данных. Точно так же реликтовое излучение. Сегодня мы про него знаем очень много, а еще в 1990 году вообще было неизвестно, насколько сильно температура зависит от направления на небесной сфере. Сегодня у нас есть очень хорошая и качественная карта температуры реликтового излучения. Конечно, технический прогресс в этом деле фантастический произошел за последние 20–25 лет. И именно благодаря ему мы понимаем, как Вселенная развивалась, какими были начальные условия и так далее.

— Нет такого опасения, что 25 лет — это не такой большой срок, не получится ли как с разными открытиями в истории науки, когда технических данных много, но мы не можем с достаточной точностью увидеть или посчитать?

— Очень важная вещь — это гравитационные волны. Инфляция — это единственная из всех гипотез, какие существуют, которая предсказывает, что во Вселенной должны быть реликтовые гравитационные волны. Вакуумные флуктуации самого гравитационного поля во время инфляции, так же как и всех остальных полей, усиливаются. И усиливаются до такой степени, что их амплитуда должна быть очень даже немаленькой, на уровне одной миллионной. Это гигантская амплитуда для гравитационных волн. Более того, инфляция предсказывает, что они должны быть очень длинными, вплоть до максимально возможных, вплоть до современного горизонта, вплоть до современного размера Вселенной. Это можно пытаться обнаружить, потому что гравитационные волны накладывают свой отпечаток на реликтовое излучение, точнее, на его поляризацию. Свет бывает поляризованный, и электромагнитное излучение бывает поляризованное. Особенности поляризации реликтового излучения, если они есть, однозначно должны вам сказать, есть ли такие реликтовые гравитационные волны гигантских размеров. Это масштабы миллиарда, десятка миллиардов световых лет. Если реликтовые гравитационные волны будут обнаружены — все, однозначно инфляция, все остальные гипотезы насмарку, Вселенная прошла через длительный период инфляции.

— А в чем разница между обнаружением бозона Хиггса, о котором тоже был вопрос? Есть явный скачок на графике, но после его обнаружения было сразу объявлено, что он найден на 99,8%, в 2013 этом году была Нобелевская премия, а тут надо быть осторожным.

— Одно дело ускорительные эксперименты, где вы контролируете ситуацию, вы знаете, что с чем сталкивается в ускорителе (протон с протоном), вы знаете свои приборы, которые регистрируют, у вас все под контролем. В случае Вселенной вы основываетесь на наблюдениях. Наблюдения надо еще уметь интерпретировать. У вас есть поляризованное реликтовое излучение. Во-первых, надо быть уверенным, что это реликтовое излучение, а не какое-то другое. Та же самая пыль тоже излучает. Она теплая, она излучает электромагнитное излучение сама по себе, надо уметь не перепутать одно с другим. Вы измеряете температуру или поляризацию реликтового излучения, но вы не знаете, кто излучил: Вселенная на самых ранних стадиях или пылинки где-то не так далеко от нас. Есть синхротронное излучение: электроны, вращающиеся в магнитном поле, тоже излучают электромагнитное излучение. Нужно понимать, что-то, что вы наблюдаете, — это не синхротронное излучение. Разделить разные источники — это уже большое искусство. Быть твердо уверенным, что вы обнаружили сигнал, даже если уверены, что это реликтовое излучение, но поляризация имеет своим происхождением давнюю историю и гравитационные волны, а не ближний к нам космос — это тоже очень сложный вопрос. Мы не можем взять и послать спутник далеко за пределы нашей Галактики — это было бы лучше всего. Тогда наша Галактика бы нам не мешала измерять реликтовое излучение. Поэтому, по сравнению с физикой частиц, ситуация другая. Нет повторяемости, вы не можете поставить много экспериментов. Эксперименты будут продолжаться, измерения будут проводиться разными приборами, но все-таки ситуация экспериментально существенно другая.

— К вопросу о том, что материя неравномерно распределена. Если смотреть на Большой взрыв, то, казалось бы, материя должна быть равномерно распределена по пространству. Я видел снимки со спутника, что на границах видимой Вселенной обнаружили скопление материи, то есть скопление галактик. Почему в одном месте большое скопление галактик? Может, там другое гравитационное притяжение, альтернативное, или вторая Вселенная? Такое возможно?

— Теория возникновения неоднородностей — это пока еще не окончательно подтвержденная теория. Но все свойства этих неоднородностей, о которых мы знаем, однозначно говорят нам о том, что это усиленные вакуумные флуктуации каких-то полей. Есть много интересных, не очень тривиальных свойств этих неоднородностей, которые показывают, что так должно быть. Что это за поля и как они были усилены, что за флуктуации, как они были усилены — это уже отдельный разговор, тут могут быть разные гипотезы. Что касается разных свойств Вселенной в разных местах, сегодня нет данных, которые бы свидетельствовали о том, что в видимой части Вселенной есть области, которые сильно отличаются друг от друга. Конечно, в галактике вещества больше, чем вокруг галактики. А у нас, на Земле, плотность вещества вообще фантастически огромная. Но если взять и усреднить по достаточно большим объемам, то в области размера миллиард световых лет все выглядит одинаково. Это тоже факт, который хорошо проверен наблюдениями. Кроме того, реликтовое излучение имеет практически одну и ту же температуру, там очень маленькие отклонения в зависимости от направления на небесной сфере, примерно одна десятитысячная, одна стотысячная в относительных единицах. С такой точностью наша Вселенная была однородная. Мелкие неоднородности были, но их амплитуда составляла одну десятитысячную, одну стотысячную. Поэтому нет никаких оснований думать, что в видимой Вселенной есть области, сильно отличающиеся друг от друга.