Алексей Старобинский: Квантово-гравитационные эффекты — не фантазия, их можно даже измерить

Ответить на вопрос, как появилась Вселенная, ученые пытались довольно давно. Но все теоретические модели оказывались недоказанными, пока не появилась техническая возможность это проверить. Сегодня наблюдения, эксперименты за космическим пространством с помощью новейших телескопов подтверждают предположения физиков, которые придумали невероятную, на первый взгляд, инфляционную модель Вселенной. Предлагаем вашему вниманию интервью Ольги Орловой с одним из ее создателей, академиком РАН Алексеем Старобинским.

Алексей Александрович Старобинский родился в 1948 году в Москве. В 1972 году окончил физфак МГУ. Ученик академика Зельдовича. Область научных интересов — классическая и квантовая теория гравитации, космология, релятивистская астрофизика. Один из создателей современной теории рождения Вселенной — теории инфляции. Главный научный сотрудник Института теоретической физики имени Ландау РАН. С 2016 года — профессор факультета физики Высшей школы экономики. В 2011 году избран академиком РАН. Лауреат премии Фридмана РАН, премии Томалла, премии Грубера, премии Кавли. Награжден медалью Оскара Клейна Шведской королевской академии наук и Стокгольмского университета, медалью Амальди Итальянского гравитационного общества, Золотой медалью имени Сахарова РАН. Член Немецкой национальной академии наук и Национальной академии наук США.

— В начале беседы примите поздравления в связи с избранием в Национальную академию США. Это общественная организация, которая объединяет ведущих ученых мира — и американских, и иностранных, — входить туда очень почетно. К Вашим многочисленным наградам и премиям добавилась еще одна регалия. Но у Вас их столько! Есть ли вообще в нашей стране астрофизик, у которого были бы все главные награды мира по астрофизике? Чем Вы дорожите больше всего?

— Честно говоря, пока Вы меня не спросили, я как-то и не думал на такую тему. Я бы разделил иностранные международные награды и российские. Из иностранных, конечно, самая приятная, самая престижная (кстати, и самая большая по деньгам) — премия Кавли. Если Нобелевскую премию вручает шведский король, то премию Кавли вручает король норвежский. И саму церемонию они стараются подтянуть под церемонию награждения Нобелевской премией.

Из российских для меня самая дорогая — последняя полученная мной Золотая медаль РАН имени А. Д. Сахарова. Во-первых, я сам с Андреем Дмитриевичем очень давно знаком, еще с 1971 года, когда я ему рассказывал о своей первой работе с Зельдовичем. Но что особенно приятно — это тот редкий случай, когда, подавая на какую-нибудь премию или медаль, в качестве человека, который дал тебе письменную рекомендацию, можно назвать именно того, чьим именем названа эта медаль. В своих мемуарах Андрей Дмитриевич уделил мне несколько строк. Начинаются они так: «В настоящее время теория раздувающейся (инфляционной) Вселенной является наиболее популярной в космологии ранней Вселенной. Ее развивают теоретики всего мира». Дальше он пишет, что над этой тематикой успешно работает Андрей Линде, а потом идет про меня: «Из других советских астрофизиков я особо должен упомянуть А. А. Старобинского, который стоял у истоков некоторых альтернативных, впоследствии влившихся в общее русло, идей».

— Если бы Андрей Дмитриевич дожил до наших дней, до того, когда появились первые экспериментальные и уже такие убедительные данные, подтверждающие инфляционную теорию, — как бы он это воспринял?

— Эти строки написаны, конечно, раньше, до первого экспериментального подтверждения инфляционной теории в 1992 году. Отсюда видно, что Сахаров сразу стал сторонником этой идеи. Другое дело, что он уже тогда, как и все мы, видел, что есть несколько вариантов. И пишет именно об альтернативных идеях. Ему было бы очень интересно узнать, что эксперимент сейчас подтверждает именно те идеи, у истоков которых стоял я.

— Давайте вернемся к этим годам, когда родилась модель Старобинского, когда Вы пытались дать объяснение, как могла зародиться Вселенная на ранней стадии, до Большого взрыва. Тогда еще не было термина «инфляция», он был введен позже. Как Вам пришло это в голову, как появилась идея?

— Я немножко против слова «рождение». «Рождение» иногда (не всегда) подразумевает, что до того Вселенной не было. Нет, это не так. Как я люблю представлять историю Вселенной: мы знали давно, более 90 лет, после А. А. Фридмана, что есть стадия эволюции Вселенной, когда она заполнена материей, в основном нерелятивистскими частицами. Потом, после идей Гамова и его коллег, которые были подтверждены открытием реликтового излучения в 1965 году, мы узнали, что ей предшествовала горячая стадия, когда Вселенная в основном была заполнена чем-то очень горячим — ультрарелятивистскими частицами и излучением.

А сейчас мы открыли некую новую предшествующую стадию. Однако это не самая первая стадия. Что-то ей предшествовало. Гипотезы у нас есть. Но очевидно: чем дальше мы пытаемся докопаться, что было во Вселенной в прошлом, тем становится сложнее. Сейчас мы думаем: а что было до инфляции? Проблема не в том, что у нас нет теории, — их предостаточно. Но становится всё труднее найти факты. Когда я думал о стадии, предшествующей Большому взрыву, то понимал: главное — не просто что-то предложить, а указать, как это возможно доказать наблюдениями, найти наблюдаемые эффекты, которые можно измерить сейчас. Точно так же археологи, найдя черепок с какой-то характерной раскраской, говорят: «По этой раскраске мы можем сказать, что была такая-то культура».

Мы в действительности такие «черепки» нашли — это угловая анизотропия температуры реликтового электромагнитного излучения, вызванная малыми неоднородностями гравитационного поля во Вселенной. А аналог характерной раскраски: эта температура не просто немножко разная по разным направлениям на небе — ее отклонения от изотропии подчиняются вполне определенному, хотя и статистическому закону. Именно из-за существования этой закономерности мы приходим к заключению, что до стадии горячей Вселенной была очень холодная стадия, очень симметричная и очень упорядоченная. В каком-то смысле беспорядка, энтропии тогда было столь мало, сколь это возможно.

Подобные гипотезы были: например, советский астрофизик Э. Б. Глинер предполагал такую стадию. И была абсолютно не связанная с этим гипотеза Харрисона — Зельдовича об упомянутых мной неоднородностях — их амплитуда должна быть во всех масштабах строго одинаковой.

Начиная с 1972 года думали: ну ладно, гипотеза высказана; как сделать так, чтобы она не оставалась одной из многих возможных гипотез, а следовала из реальной физики? Возникла независимая идея, что возмущения должны быть вызваны минимально возможными квантовыми флуктуациями полей. Но сразу стало ясно, что для Вселенной, заполненной как материей, так и излучением, такая идея не проходит. И в какой-то момент я заметил, что можно объединить эти две абсолютно несвязанные гипотезы, и указал первую возможность экспериментальной проверки (моя работа 1979 года). Что в конце концов сейчас и сделано. После этого я стал думать о модели и предложил ее в своей работе 1980 года. То, что сейчас называют моделью Старобинского, — это упрощенный вариант, когда одним из двух введенных членов можно пренебречь.

— Он сработал.

— Не нужно слишком усложнять. Чем проще, тем лучше. Но при этом оказалось, что обе гипотезы, предшествовавшие теории инфляции, являются только приближенными. Сама инфляционная стадия не есть в точности пространство-время де Ситтера, как предполагал Глинер, и также существуют (подтвержденные экспериментом!) малые отклонения от гипотезы Харрисона — Зельдовича.

— Первые экспериментальные подтверждения появились в 1992 году. С работ 1970-х годов прошло довольно много времени. Что Вы психологически ощущали, пока отсутствовали экспериментальные подтверждения? Как Вы преодолевали скептицизм своих коллег и, наверное, сомнения внутри? Или у Вас не было сомнений?

— У меня сомнений не было. Элемент красоты, о котором мы неоднократно читаем в воспоминаниях А. Д. Сахарова, имел для меня большое значение.

— Были уверены, это настолько красиво, что должно быть верно?

— Да. Хотя в тот период немногие в это верили. Но теорию инфляции сразу принял Яков Борисович Зельдович. Как видно из мемуаров Сахарова, он тоже ее очень высоко оценил уже тогда. Нас, сторонников инфляции, было немного, но мы на своем стояли твердо и ждали экспериментального подтверждения. Из теории сразу вытекало, что на уровне точности 1980-х годов такого подтверждения быть не могло. Мы спокойно ждали, и наконец эксперимент «COBE» в 1992 году достиг необходимой чувствительности.

И советские ученые были к этому близки, но чуть-чуть не хватило. За несколько лет до «COBE» был эксперимент «РЕЛИКТ», который нашел первые признаки нужной анизотропии температуры реликтового излучения. Но не хватило точности данных, чтобы утверждать — это не просто анизотропия, а именно той специальной формы, о которой я упоминал.

Затем был эксперимент под руководством Ю. Н. Парийского на радиотелескопе «РАТАН-600», в котором я принимал участие. У нас получилось примерно, что нужный закон есть и в области углов существенно меньших, чем в эксперименте «COBE». Мы опубликовали свою работу через несколько месяцев после статьи «COBE». Однако наш результат был не очень высок по чувствительности. В целом, советские ученые были близки к экспериментальному подтверждению инфляционной теории, но не хватило финансирования.

— Вы сказали, что и внутри России оптимистов было не много. А когда Вы выезжали за рубеж? Например, знаменитый Наффилдовский симпозиум 1982 года, который Хокинг собирал в Кембридже. Вы там делали доклад, и, как описывает Алекс Виленкин в своей книге, Хокинг потом внес исправления в свой текст. Как воспринимались Ваши выступления?

— На Наффилдовском симпозиуме собрались уже сторонники этой идеи.

— По поводу инфляционной теории не было разногласий?

— В принципе, нет. Дискуссия шла о том, как в ней правильно рассчитать возникающие неоднородности распределения материи во Вселенной.

— Как решить проблему появления крупномасштабных структур.

— И как правильно рассчитать, и какая из моделей работает.

— Как воспринимали Вас?

— Как одного из пионеров. Но для них между тем, что предлагал Андрей Линде, и тем, что предлагал я, в каком-то смысле была такая же разница, как в свое время между подходами Бора и Эйнштейна. Бор шел от квантовой теории, от квантовых полей, и все модели Линде построены на некоем новом квантовом поле. Я же хотел в духе Эйнштейна построить чисто геометрическую модель, где не нужны новые поля, а только модифицируется эйнштейновская теория гравитации.

И действительно, для всех, кроме Хокинга (там собрались специалисты в области физики элементарных частиц), модели, основанные на новом скалярном поле, были ближе. Я выступал первым, причем даже не по поводу своей модели 1980 года, а по поводу модели, которая была предложена незадолго до симпозиума, в том же 1982 году, и первым — Андреем Линде. Речь шла о том, как в ней правильно рассчитать наблюдаемые следствия, о которых я упомянул выше. У меня сразу было представление, как это нужно делать. В самом начале конференции появился препринт Хокинга, где был неверный результат. Но потом уже, в ходе конференции, он представил работу с правильным результатом. То есть он понял буквально с ходу.

— Недавно прошла конференция, посвященная столетию Виталия Гинзбурга. Он был одним из тех, кто со скептицизмом относился к инфляционной теории. Как Вы думаете, почему?

— Интересный вопрос. Не берусь дать ответ. Тем более что ирония судьбы в том, что наблюдательное проявление, по которому мы доказываем сейчас существование инфляционной стадии, связано с квантово-гравитационным эффектом рождения частиц в гравитационном поле, чему была посвящена, в частности, моя работа с Зельдовичем 1971 года. А в том же 1971 году, на несколько месяцев раньше, появилась работа Гинзбурга, Киржница и Любушина, в которой была предложена модель гравитации с квантово-гравитационными поправками, чем-то похожая на мою инфляционную модель 1980 года. Но Гинзбург как-то не очень верил в то, что квантово-гравитационные эффекты не фантазия, что их можно даже измерить. Он, как и многие другие, считал, что такую теорию невозможно будет никогда подтвердить экспериментом.

— Наш разговор всё время строится вокруг сторонников инфляции и скептиков. Но если посмотреть, как вообще теория инфляции завоевывала умы, то постоянно видишь историю борьбы. Это столкновения, очень тяжелые отношения — и личные, и научные. И они до сих пор не прекращаются. Экспериментальные данные подтверждают, и вроде бы всё более точно, а страсти вокруг инфляционной теории не утихают.

Недавно Пол Стейнхардт, ранее известный как сторонник теории инфляции, опубликовал со своими коллегами в научно-популярном журнале Scientifc American статью, где попытался разгромить теорию инфляции. В ответ появилось «письмо 33 богатырей» (название — с легкой руки Бориса Штерна, астрофизика и главреда ТрВ-Наука) — коллективное письмо в защиту теории инфляции, тоже в Scientifc American. Вы были одним из тех, кто его подписал. Причем среди подписантов, кто пытается защитить таким необычным способом в ненаучном журнале научную идею, — Стивен Хокинг, автор термина «инфляция» Алан Гут, Андрей Линде, Эдвард Виттен и т. д. То есть видные ученые. Почему вы пошли на это?

— Это скорее письмо против использования некорректных способов разрешения научных споров. Мы не защищали инфляцию, а протестовали против переноса профессиональной дискуссии на страницы популярных журналов. Можно сомневаться не только в инфляции. Я частенько получаю письма, в которых выражаются
сомнения и в общей теории относительности Эйнштейна, и в специальной теории относительности. Пожалуйста — никто не запрещает. Человек имеет право развивать свою альтернативную гипотезу. Стейнхардт и его коллеги несколько лет назад опубликовали статью в научном журнале буквально с теми же возражениями против теории инфляции. Но она особого интереса у научной общественности не вызвала, и на нее был дан аргументированный ответ.

Теперь они вдруг написали письмо в популярный журнал, буквально повторив аргументы своей статьи, но полностью игнорируя полученные обоснованные возражения. В письме нет ни одной фразы вида «в статьях, критикующих нас, на такой-то странице содержится такая-то ошибка». Их утверждения — совершенно ненаучного характера, смехотворные, как то: «Инфляция предсказывает всё (и ничего), поэтому она плоха». Что и вызвало соответствующую единодушную реакцию, хотя между подписавшими ответное письмо есть расхождения, в частности в том, как правильно описывать инфляцию в режиме больших флуктуаций.

— Мы уже знаем, что Вы хороший предсказатель. Будет ли инфляция вечной и будет ли вечным процесс рождения вселенных?

— Это термин, который не следует понимать буквально. Все эти «другие» вселенные лежат вне нашего светового конуса прошлого. Свет от них, любая информация от них до нас не успела дойти и не успеет дойти никогда. Отсюда следует, что мы даже не можем однозначно сказать, находятся ли эти другие вселенные по отношению к нам в прошлом, настоящем или будущем. Уже в специальной теории относительности вне светового конуса любого события нет однозначного деления других событий на происходящие по отношению к нему в прошлом или в будущем.

Кстати, часть критики инфляции со стороны Стейнхардта и С^о как раз и состоит в том, что есть некие расхождения (действительно есть!) между разными авторами — сторонниками инфляции: в том, как процесс «вечной» инфляции правильно описывать. И это, мол, очень плохо. Ответ: поскольку весь процесс вечной инфляции и вечного рождения постинфляционных вселенных лежит вне нашего светового конуса прошлого, на предсказания в нашей Вселенной он не влияет никак. Я рекомендовал бы понимать слова о вечной инфляции в более философском смысле, в котором мы употребляем высказывания «материя вечна» или «элементарные частицы вечны» (не каждая элементарная частица, а все частицы в целом). А именно что где-то в другом пространстве и в каком-то смысле в другом времени всегда можно найти инфляционную вселенную. Но это будет другая вселенная, к нашей не имеющая отношения.

Но сам по себе процесс очень интересный. Я тоже над ним работаю и называю его «стохастической инфляцией». Фактически его серьезное количественное изучение началось с моих работ 1984–1986 годов. Но надо сказать, что наблюдательных проявлений этого процесса мы пока не нашли. Одна из наших целей — думать, как перейти от чисто слов «инфляция вечна» к тому, что можно измерить. Экспериментальное доказательство существования этого процесса — работа для будущего.

Алексей Старобинский
Беседовала Ольга Орлова

https://otr-online.ru/programmi/gamburgskii-schet-24869/aleksei-starobinskii-chto-69628.html.