— Вам присуждена премия за открытие, согласно которому галактики сформировались благодаря квантовым флуктуациям в самом начале существования Вселенной. Можете описать суть вашего открытия простыми словами?
— Начнем издалека: почему электрон не падает на ядро? Когда электрон движется с ускорением, он должен излучать электромагнитные волны, без которых ничего бы не функционировало — в частности, айфоны и другие устройства. С другой стороны, излучая электромагнитные волны, электрон теряет энергию в атоме и должен был бы окончить свое существование в ядре. В результате материя была бы нестабильна и мы не могли бы существовать. Как сделать так, чтобы и приборы работали, и материя была бы стабильной? И здесь нас спасает квантовая механика, которая была открыта Вернером Гейзенбергом в 20-х годах прошлого столетия. Гейзенберг, кстати, учился в том самом университете, где я сейчас работаю.
Так вот, в основе квантовой теории лежит так называемый принцип неопределенности Гейзенберга.
Согласно этому принципу, нельзя заставить частицу оставаться в покое в каком-то конкретном месте.
Например, если вы будете пытаться локализовать электрон в ядре, то он приложит все усилия для того, чтобы сбежать оттуда. Именно поэтому материя и стабильна. И когда, например, электрон в водороде приближается к ядру на некое минимальное расстояние, диктуемое принципом неопределенности, то он перестает излучать электромагнитные волны и терять энергию. Опять же поскольку принцип неопределенности запрещает состояние абсолютного покоя, то и материю нельзя распределить в пространстве совершенно однородно. Составляющие ее частицы никогда не могут быть в абсолютном покое. В результате всегда есть минимальные неоднородности, которые называются квантовыми флуктуациями. И вот мы решили использовать эти квантовые флуктуации для того, чтобы объяснить происхождение галактик во Вселенной.
— Насколько я знаю, все эти квантовые эффекты обычно важны в масштабах атомов и даже меньше?
— Правильно, но не надо забывать, что наша Вселенная расширяется и в прошлом, сразу после ее рождения, все вещество, из которого состоят планеты, звезды и галактики, умещалось в спичечный коробок, каким бы невероятным это ни казалось. А поскольку в то время эмбрионы, из которых впоследствии образовались галактики, были чрезвычайно малы, то квантовая механика вполне могла играть решающую роль в их возникновении. И мы решили выяснить, не могли ли эти эмбрионы быть просто-напросто квантовыми флуктуациями, которые впоследствии выросли и стали взрослыми и старыми галактиками.
— Насколько старыми?
— Сегодня им по 13,7 млрд лет. А мы решили угадать, как же они должны были бы выглядеть в первые доли секунды сразу после рождения Вселенной. Мы предположили, что это были квантовые неоднородности. С другой стороны, эти квантовые флуктуации чрезвычайно малы — и нужно было найти способ их усилить.
Оказалось, здесь нам может помочь антигравитация.
А именно, если предположить, что антигравитирующая темная энергия была ответственна за рождение Вселенной, то квантовые флуктуации как раз и усиливаются ровно настолько, насколько требуется для того, чтобы впоследствии они стали галактиками.
— А как родилась сама Вселенная?
— Как родилась Вселенная — это уже другой вопрос. Скорее всего, она родилась точно так же, как и галактики, то есть с помощью квантовой физики и темной энергии. Но это все равно экспериментально мы вряд ли сможем проверить. А вот с галактиками другое дело. Оказалось возможным предсказать свойства галактических эмбрионов, а впоследствии и проверить с помощью наблюдений, насколько предсказанные свойства этих эмбрионов совпадают с тем, что мы видим в реальности.
— Откуда мы знаем, что такая темная энергия вообще могла существовать?
— Ну, из наблюдений следует, что она и сейчас составляет 70% всего вещества в нашей Вселенной. Непонятно, зачем она нужна сегодня, а вот в далеком прошлом такого же типа субстанция была чрезвычайно полезна. Она определенно была ответственна за возникновение галактических зародышей из квантовых флуктуаций и, скорее всего, за рождение вообще всей Вселенной.
— А как оказалось возможным проверить такую теорию?
— Дело в том, что после стадии доминантности ранней темной энергии, которая закончилась в момент одна миллиардная-миллиардная-миллиардная-милл
И только когда Вселенная постарела на 300 тыс. лет, эмбрионы пробудились и начали развиваться.
И как раз в этот момент времени мы и можем их наблюдать и анализировать их свойства, измеряя флуктуации температуры реликтового излучения на небе. Такие измерения оказались возможны сравнительно недавно, а именно в течение последних 25 лет благодаря просто фантастическому технологическому прогрессу. С помощью реликтового излучения мы смогли получить прямую фотографию ранней Вселенной, когда ей было всего 300 тыс. лет, и проверить предсказания теории, которые оказались в замечательном согласии с измерениями. То есть все предсказанные свойства галактических зародышей подтвердились.
— Вы говорили, что больше всего вас интересуют первые три минуты жизни Вселенной. Почему?
— Потому что именно в эти первые минуты в основном и оформился облик Вселенной. В частности, как я уже сказал, образовались галактические зародыши, возникла барионная асимметрия и, наконец, произошли ядерные реакции, в результате которых образовался почти весь гелий.
— А сейчас наша Вселенная считается старой?
— Все относительно. По сравнению с тем, когда Вселенная была образована, она сильно старая. Сейчас Вселенной 13 млрд 700 тыс. лет. Со временем, через миллиарды лет, все звезды угаснут. Потом, если темная энергия не распадется, Вселенная превратится в абсолютную пустыню. Но в этом ничего трагичного нет, потому что другую Вселенную создать гораздо проще, чем предохранить нашу от вымирания.
— А как можно создать другую Вселенную?
— А для этого энергии не требуется. Вселенную можно создать из ничего.
— Но это звучит совершенно фантастически…
— При этом все научно обосновано. Потому что энергия гравитационного поля отрицательная. А энергия вещества положительная. А в сумме, если взять энергию материи и добавить энергию гравитационного взаимодействия, полная энергия Вселенной может быть нулевой. Поэтому Вселенная может быть создана из ничего, а именно можно позаимствовать энергию из гравитационного резервуара (который бесконечен) — и произвести 10^55 граммов вещества.
— Почему именно 10^55?
— Солнце весит 10^33 граммов. В каждой галактике где-то порядка 100 млрд звезд, ну а в наблюдаемой части Вселенной около 100 млрд галактик. Отсюда получаем массу вещества в нашей Вселенной — 10^55 граммов. И все это можно получить из ничего. Просто-напросто нужно, чтобы возникла квантовая флуктуация, в которой доминирует темная энергия. Эта темная энергия будет антигравитировать и мгновенно растащит маленький пузырек до огромных размеров, заполняя его материей, которая затем преобразуется в нормальное вещество. А из этого вещества впоследствии образуются галактики, звезды, планеты. В основе всего было ничего!
— А как вы относитесь к теории мультивселенной, которая сейчас крайне популярна?
— Эту теорию, которую активно пропагандируют в разной популярной литературе, я не очень люблю. Идея, что была мультивселенная, в которой все на свете реализовалось, и нам объяснять ничего не надо, выглядит как бессмыслица. Это трудно назвать физикой, скорее уж это нечто вроде религии. Да и к тому же эта идея даже не оригинальна, а восходит к древним грекам. В частности, еще Демокрит утверждал, что есть бесконечное количество Вселенных и бесконечное количество Демокритов в них. Слова, слова, слова… Физика — это прежде всего наука экспериментальная, и эксперимент в ней нельзя подменить логическими заключениями и сделать вывод, что что-то однозначно неизбежно. В этом отношении физика сильно отличается от математики. Критерии строгости совершенно иные. Да и к тому же какая разница, есть другая Вселенная или нет, если она в принципе ненаблюдаема.
— Каковы, на ваш взгляд, главные загадки современной космологии?
— Водород, гелий и остальное барионное вещество составляют лишь 4% от общего количества вещества во Вселенной. Остальные 96% — это темное вещество. Оно, в свою очередь, состоит из двух компонентов: темной материи и темной энергии.
Темная энергия распределена во Вселенной однородно, и она антигравитирует — то есть вместо того, чтобы замедлять расширение, она это расширение ускоряет. А темная материя — это с точки зрения гравитации совершенно нормальное вещество, и оно скапливается, например, в галактиках. Мы до сих пор не знаем фундаментальной природы этих компонентов темного вещества, хотя и на сто процентов уверены в их существовании — поскольку видим их посредством гравитации. Все остальное — загадка.
— А еще какие загадки существуют в космологии?
— Например, почему темная энергия стала важна именно сейчас, когда она нам совершенно не нужна.
http://www.gazeta.ru/science/2016/02/22_a_8075447.shtml