Премия Кавли героям «Прорыва»

Незадолго до выхода этого номера, 29 мая 2014 года, трем людям, хорошо знакомым читателям нашей газеты, присуждена премия, по денежному выражению близкая к Нобелевской. Лауреатами стали Алан Гут, Андрей Линде и Алексей Старобинский. Премия присуждена за теорию космологической инфляции. Она носит имя ее учредителя — Фреда Кавли, норвежца, эмигрировавшего в США и разбогатевшего на производстве сенсорных датчиков для авиации. По замыслу учредителя, премия должна быть менее консервативной, чем Нобелевская. По деньгам она сравнима с Нобелевской, но ее история и охват, конечно, не столь богаты: с 2008 года по 2014 присуждено 12 премий — раз в два года по астрофизике, нанотехнологиям и нейрологии.

На сей раз астрофизическая премия присуждена за теорию космологической инфляции. ТрВ-Наука писал об этой теории неоднократно, поэтому все три имени, перечисленные выше, неоднократно упоминались на его страницах. Более того, прямо в эти дни выходит книга, изданная ТрВ-Наука под названием «Прорыв за край мира», где все трое являются героями первого плана, а Линде и Старобинский еще и «соучастниками» — оба дали интервью и участвовали в обсуждении всей книги. Но среди героев первого плана не только эти трое — есть и четвертый: Вячеслав Муханов. Он тоже соучастник по «Прорыву» и один из отцов-основателей теории космологической инфляции. Просто пряников сладких всегда не хватает на всех, а три — типичное ограничение по числу лауреатов крупных премий. Объективно расставить эту четверку по рангу невозможно, поэтому будем писать про всех четырех, несмотря на то что одному из них в этот раз не повезло.

Итак, что такое космологическая инфляция и какова ее роль в современной картине мира? Премия по инфляции за время существования «Троицкого варианта» уже присуждалась, поэтому придется объяснять это минимум в третий раз. Ничего страшного, такие вещи не жалко объяснить и в четвертый.

Вселенная возникла в результате Большого взрыва, что было окончательно подтверждено в 1964 году, когда зарегистрировали реликтовое излучение. Однако в теории Большого взрыва осталось несколько дыр, имевших вид простых вопросов:

• Почему Вселенная со всех сторон одинаковая? Ведь разные части Вселенной какое-то время после Большого взрыва ничего «не знали» друг о друге — они не могли обменяться никакими сигналами из-за конечности скорости света, иными словами, не были причинно связаны. Почему же они начали расширяться одновременно и оказались столь похожими?
• Почему параметры Большого взрыва оказались так точно подогнаны, что Вселенная не схлопнулась в первые мгновения или не разлетелась вдребезги, а мягко «притормозила» через миллиарды лет? Чуть более строго вопрос звучит так: почему Вселенная оказалась настолько плоской в трех измерениях?
• Что послужило первичным толчком для Большого взрыва?

Вселенная на удивление однородна на больших масштабах, но в ней есть галактики и их скопления. Ели бы она была абсолютно однородной, она бы осталась без галактик и, соответственно, без нас. Откуда взялись затравочные неоднородности Вселенной, из которых выросли галактики?

На все эти вопросы ответила теория космологической инфляции:

В течение по меньшей мере 10^-35 c до Большого взрыва Вселенная раздулась из микроскопического зародыша на много порядков величины. Раздувание происходило по экспоненциальному закону из-за того, что плотность вакуума в ней была огромной. Решение уравнения Фридмана (к которому сводятся уравнения Эйнштейна в случае однородной изотропной Вселенной) дает для такой Вселенной экспоненциальное расширение. Выглядит парадоксально, но деваться некуда — уравнение Фридмана в данном случае имеет очень простой вид и не допускает иных толкований.

Откуда взялся сверхплотный вакуум или, по выражению Андрея Линде, «тяжелое ничто» — отдельный вопрос: например, это может быть однородное скалярное поле, занимающее все пространство (инфлатон). Но уж если такое произошло, перечисленные выше вопросы решаются автоматически. Теория инфляции стала новой революцией в космологии, затеянной в начале 80-х и триумфально завершающейся сейчас на наших глазах благодаря недавним наблюдениям, которые с большой точностью подтверждают предсказания теории.

Теперь перейдем к роли каждого из четырех перечисленных выше героев космологической революции.

Алексей Старобинский первым опубликовал проработанную модель инфляции, которая к тому же прошла испытание временем. В предложенном им сценарии был явно лишний элемент: предшествующая стадия сжатия Вселенной и переход через «горловину» к стадии расширения. Довольно быстро поняли, что такой сценарий дает фатальные неустойчивости, но сам механизм великолепно работает, будучи вставлен в другие сценарии. Модель Старобинского остается одной из наиболее перспективных, хотя над ней нависла угроза. Результаты эксперимента BICEP2, интерпретируемые как открытие реликтовых гравитационных волн, могут закрыть эту модель, будучи подтверждены. Но появляются свидетельства,  что это вряд ли произойдет, и угрозу пока не стоит принимать слишком всерьез.

Вячеслав Муханов вместе с Геннадием Чибисовым решили последний из перечисленных вопросов — откуда взялись первичные возмущения плотности Вселенной. Чибисов предложил заняться этой задачей и высказал ряд важных идей, но основную работу сделал Вячеслав, поэтому именно он считается главным автором основополагающей работы,опубликованной в 1981 году. Ответ таков: первичные неоднородности — не что иное, как квантовые флуктуации, растянутые инфляцией в широкий спектр возмущений. Результат крайне важен еще и потому, что он дал проверяемое предсказание: степенной индекс спектра возмущений плотности должен быть близок к 1, но чуть меньше — около 0,96. Обработка данных космических микроволновых телескопов WMAP и «Планк» дала в точности такое значение, что стало самым эффектным  подтверждением теории космологической инфляции. Кстати, Муха-нов с Чибисовым первыми заявили о необходимости стадии инфляции — только с ней могли получиться возмущения плотности, достаточные для появления галактик. К сожалению, это заявление было неудачно опубликовано — в виде препринта ФИАН в 1980 году и вышло в международном журнале лишь в 1982 году, когда новая парадигма уже утвердилась.

Алан Гут как раз и был тем человеком, благодаря которому сменилась парадигма. В 1981 году он опубликовал объемную статью, которая произвела радикальный сдвиг в общественном мнении. Сценарий инфляции, изложенный в статье, оказался неправильным, но мотивация была настолько четкой, ясной и полной, что народ поверил: такой механизм должен работать! Слишком хорошо он всё объясняет. Пусть не совсем в таком варианте, но что-то подобное обязательно должно работать. Со статьи Гута пошла массовая мобилизация физиков в космологию.

Андрей Линде довел теорию космологической инфляции до ума. Его главные достижения:

• Сценарий хаотической инфляции, в котором механизм может работать при достаточно произвольной физике его «мотора» — поля-инфлатона. То есть в этот сценарий можно подставлять разные модели, и большинство из них сработает. Эпитет «хаотическая» подразумевает то, что Природа пробует самые разные начальные условия, и как только случайно выпадают подходящие, начинается инфляция, которую уже ничем не остановишь.
• Вечная инфляция. Эта концепция довела теорию инфляции до полной грандиозности. Оказывается, инфляция, раз начавшись, не может закончиться во всем пространстве — где-то она всегда продолжается, производя бесконечное множество вселенных, причем совершенно разных.

Премия Кавли далеко не первая из «увесистых» премий, которую получили эти четверо. Три  года назад Алан Гут и Андрей Линде получили премию Мильнера по фундаментальной физике. В прошлом году Вячеслав Муханов и Алексей Старобинский получили премию Грубера по космологии. И вот — Гут, Старобинский, Линде. В этой публикации я не зря подчеркивал роль Муханова: важно, чтобы народ не забывал — главных героев космологической революции не трое, а четверо. История награждений героев «Прорыва за край мира» скорее всего не завершена. Сейчас вклад Муханова оказался относительно недооцененным. Между прочим, его вклад в каком-то смысле имеет более высокий статус — квантовые возмущения безальтернативны. Альтернативы теории инфляции существуют, хотя по поводу их убедительности можно спорить. Но все они используют тот же механизм генерации возмущений — другого нет. Но это так, к слову.

Вносим свою лепту в исправление дисбаланса публикацией интервью с Вячеславом из упомянутой книги.