Четыре железобетонных следствия и еще одно (интервью с Вячеславом Мухановым)

Интервью было взято после объявления о детектировании реликтовых гравитационных волн в эксперименте BICEP2.

Борис Штерн: Когда ты понял, что инфляция — это именно то, что надо для светлого будущего?

Вячеслав Муханов: В 1980 году, еще до соответствующей работы Старобинского и тем более до работы Гута. В 1979 году Гена Чибисов предложил заняться квантовыми флуктуациями в ранней Вселенной: нельзя ли получить из них галактики? Когда-то, еще в 1960-х, подобной задачей занимался Сахаров, но у него ничего не получилось — возмущения в галактических масштабах оказались слишком маленькими. А больше никто этого не пробовал.

Уйма времени у меня ушла на технические вещи — как проквантовать скалярные возмущения.

Б. Ш.: Вроде Володя Лукаш делал то же самое?

В. М.: Да, мы с ним в какой-то момент пересеклись по этому поводу. Я тогда был аспирантом, а он уже ученым с репутацией. При этом формальная часть теории квантовых скалярных возмущений оказалась почти той же самой. Даже встал вопрос о том,чтобы опубликовать совместную работу на эту тему — это было предложение Зельдовича. Но было неясно, как в этой теории получить возмущения, достаточные для образования галактик и вообще всей структуры Вселенной. В результате Лукаш быстро опубликовал формальную теорию, а мы с Чибисовым попытались найти какую-либо модель ранней Вселенной, где эта теория могла бы объяснить, как образовались галактики. Долгое время не получалось ничего. Я испробовал разные модели с нормальным веществом, и во всех этих моделях возмущения были слишком маленькими. Наконец, возникла идея: а что, если попробовать решение де Ситтера — скалярное поле и немного радиации? И всё получилось! Оказалось, что квантовые флуктуации нужным образом усиливаются и растягиваются. Всё встало на свои места.

Б. Ш.: Получается, вы подобрались к инфляции совсем с другой стороны. Другие хотели от нее плоской однородной Вселенной, вы — затравочных неоднородностей для галактик.

В. М.: Так это не менее, а в каком-то смысле даже более важно: мы вполне могли бы существовать и во Вселенной с геометрией Лобачевского, а без галактик — никак. Этот результат про возмущения в мире де Ситтера был опубликован в середине 1980 года в виде препринта ФИАН (на английском). А журнальная публикация появилась только через два года в Monthly Notices (MNRAS). Рецензент (Бернард Карр) полностью переписал наш английский, потом надо было всё перепечатать, ну и почта в Англию и обратно шла месяцами.

Хоть в этой первой работе мы и полностью осознали, что без де-ситтеровской (инфляционной) стадии не можем никак обойтись, если хотим образовать галактики из квантовых возмущений, детальную структуру возмущений в нашей модели было всё же невозможно рассчитать, поскольку первоначальная модель была слишком упрошенной. В декабре 1980 года я решил посмотреть, что происходит с квантовыми флуктуациями в модели, которую предложил Старобинский, с тем, чтобы решить проблему начальной сингулярности. В этой модели предполагалось, что Вселенная бесконечно долго находилась в де-ситтеровском состоянии, а уже потом образовалась наша Вселенная. В результате наших расчетов оказалось, что квантовые флуктуации разрушают де-ситтеровскую Вселенную за довольно короткое время, и таким образом проблему сингулярности оказалось решить нельзя. Так что если иметь в виду первоначальную цель этой модели, то мы ее закрыли. С другой стороны, мы нашли, что если всё же предположить, что по каким-либо причинам Вселенная прошла в течение короткого времени через такую стадию, то проблема образования галактик решена. Квантовые флуктуации действительно усиливаются и ведут в дальнейшем к галактикам и в конечном итоге к жизни. На этот раз я не рискнул послать статью за границу, и она была опубликована в «Письмах в ЖЭТФ» в мае 1981 года.

В этой статье нам удалось полностью предсказать спектр возмущений, который удалось померить только спустя 30 лет в экспериментах WMAP и «Планк». Наблюдения блестяще подтвердили наши с Чибисовым предсказания тридцатилетней давности.

Б. Ш.: Этот спектр — специфическая характеристика модели Старобинского? Что если взять другую модель инфляции?

В. М.: Как оказалось, конкретная модель здесь играет очень незначительную роль. Впоследствии мне удалось показать, что независимо от модели инфляции возмущения, образовавшиеся после инфляции, всегда слегка растут с ростом масштаба. И в какой-то момент я четко осознал, что если подтвердить этот рост возмущений с масштабом экспериментально, то это будет однозначным доказательством того, что мы все произошли из квантовых флуктуаций. Кроме того, наша теория также предсказывала, что возмущения должны быть адиабатическими и гауссовыми. В начале 1980-х было невозможно даже представить, что наш спектр когда-либо удастся измерить с необходимой точностью. Более того, адиабатические, гауссовы возмущения противоречили астрономическим наблюдениям. Тем не менее, это не помешало мне защитить кандидатскую диссертацию в 1982 году.

Б. Ш.: Ну вот, не прошло и тридцати пяти лет…

В. М.: Не прошло. И все предсказания нашей теории были блестяще подтверждены экспериментально.

Б. Ш.: Да, я выше уже это охарактеризовал как триумф науки.

В. М.: Что касается инфляции и квантового происхождения галактик, то в высшей степени удивительно, что единственное предположение о том, что наша Вселенная прошла в прошлом через стадию темной энергии, которая усилила квантовые возмущения, ведет к пяти четким предсказаниям:

• Вселенная с высокой точностью «плоская».
• Возмущения плотности — чисто адиабатические (см. врезку).
• Они же — гауссовы.
• Начальный спектр возмущений слегка (логарифмически) растет с масштабом.
• Существуют первичные гравитационные волны.

Первые четыре предсказания в настоящее время подтверждены экспериментально с огромной степенью точности. Что касается пятого предсказания — амплитуда гравитационных волн может оказаться ниже экспериментально достижимого уровня. В принципе, это не катастрофа, поскольку остальные — highly robust.

Адиабатические возмущения

Когда среда сжимается или расширяется, она соответственно нагревается или охлаждается. Если процесс проходит без передачи тепла от одних областей другим, то он называется адиабатическим. При этом энтропия в сопутствующем объеме (сжимающемся или расширяющемся вместе с веществом) не меняется. Неоднородности с постоянной удельной энтропией (энтропией, деленной на сопутствующий объем) называются адиабатическими возмущениями. В космологии удельную энтропию удобно измерять как отношение числа фотонов к числу барионов. Альтернатива адиабатическим возмущениям — энтропийные возмущения, где число фотонов на барион меняется. Если адиабатические возмущения плотности космической среды каким-то образом заморозить, то из-за диффузии фотонов они превратятся в энтропийные: температура выровняется, а плотность останется переменной. Однако в ранней Вселенной диффузия фотонов для достаточно больших возмущений была незначительной, и возмущения, родившиеся как адиабатические, таковыми и оставались. Возмущения, родившиеся в ходе инфляции, автоматически становились адиабатическими при «выгорании» инфлатона. То, что возмущения изначально были адиабатическими, видно по положению пиков на рис. 32.1. Если бы они были энтропийными, акустические колебания среды в ранней Вселенной вели бы себя по-другому, и пики оказались бы в других местах.

Б. Ш.: Железобетонные.

В. М.: Да, железобетонные. Они были подтверждены, и, я думаю, никаких сомнений здесь быть не может; абсолютно ясно, что все мы произошли из квантовых флуктуаций. Если бы хоть одно из этих предсказаний было опровергнуто, большинство физиков усомнилось бы в том, что мы действительно знаем что-то о ранней Вселенной. Меня, например, неоднократно спрашивали на докладах: если n_s, характеризующий наклон спектра, окажется 0,99 ± 0,01, согласишься ли ты с тем, что теория не работает? Я отвечал: соглашусь! Правда, Андрей Линде говорил: ну, можно придумать такую модель, которая даст почти точно единицу. Но, по-моему, это уже не настоящая физика. Изобретательство всяческих лазеек — совсем другой бизнес.

Б. Ш.: Ну, Андрей говорит как раз то же самое про гауссовость, как народ делал бизнес на моделях инфляции, нарушающих гауссовость.

В. М.: Вот! Перед публикацией результатов «Планка» был пущен слух, что «Планк» нашел негауссовость, и даже было организовано несколько конференций в предвкушении этой сенсации. К счастью, «Планк» всё расставил по своим местам.

Б. Ш.: Андрей уже весьма красочно рассказал про это.

В. М.: Или взять недавний результат по гравитационным волнам. Он довольно серьезно противоречит результатам «Планка». Тем не менее, многие тут же стали подстраиваться так, чтобы, как говорится, «угодить и нашим, и вашим», ввели переменный спектральный индекс и т.д., короче, полный бред. И всё это вместо того, чтобы просто подождать, пока экспериментаторы выяснят, кто же из них прав.

Б. Ш.: Я уже писал, что это насилие над теорией. И Рубаков так же думает.

В. М.: Я вообще сильно не удивлюсь, если история с результатом BICEP2 окажется аналогичной истории со сверхсветовыми нейтрино (в 2011 году было объявлено об экспериментальном измерении скорости нейтрино, оказавшейся чуть выше скорости света, что вызвало вал теоретических работ, но оказалось тривиальной технической ошибкой. — Б.Ш.). При всём том, что результаты BICEP2 не подтверждены и есть куча вопросов, посмотри, какая поднялась шумиха в самых разных газетах, журналах, по телевидению. Когда были опубликованы куда более мощные результаты WMAP и «Планка», кто об этом написал в России? Боря Штерн в «Троицком варианте» да еще раз-два и обчелся. А тут — девятый вал.

Б. Ш.: Может быть, это и не так плохо. Сколько народа узнало, что существуют гравитационные волны, что есть такая теория инфляции, что есть такая наука — космология…

В. М.: Тут такая проблема. После сенсации со сверхсветовыми нейтрино, закончившейся скандалом, простая публика, наверное, даже усомнилась в открытии бозона Хиггса: может, опять разъем перепутали. Такие истории дискредитируют науку.

Б. Ш.: С одной стороны — да. Каждая лопнувшая сенсация подобна ложному крику «Волки!». Но нет худа без добра — народ видит, что в науке что-то происходит. Кстати, результат BICEP2 вряд ли лопнет с таким треском. Неправильный учет фона — это все-таки не разъем неправильно воткнуть. И есть шанс, что результат подтвердится. Конечно, им надо было чуть-чуть подождать — «Планк» уже скоро должен выдать данные по фону. Но, видимо, хотелось быть впереди всех.

В. М.: Вообще, уровень журналистики, когда речь заходит о науке, ужасен. По телевизору иногда слушаешь и в ужас приходишь! Я, кстати, подписался на российское телевидение. Извини, но всё, кроме «Дождя», такое.

На этом разговор перешел на политику и назад уже не вернулся. Он происходил в самом начале апреля 2014 года.