Как за полчаса изменился мир

Прорыв за край мира

Через полтора месяца выйдет электронная, а через два с лишним — бумажная книга Бориса Штерна под названием «Прорыв за край мира». Ее научный редактор — академик РАН Валерий Рубаков, технический и всякий прочий редактор — Максим Борисов, собеседники: Андрей Линде, Владимир Лукаш, Вячеслав Муханов, Валерий Рубаков, Алексей Старобинский. Последние пятеро известны любому землянину, интересующемуся современной космологией. Некоторые из них являются реальными претендентами на Нобелевскую премию по теории космологической инфляции, которая, по твердому убеждению автора книги, будет присуждена еще при жизни нынешнего поколения читателей.

Книга посвящена науке вообще на примере современной космологии и, главное, теории космологической инфляции, лежащей в ее основе. Кроме того, ведется рассказ о том, как бы могли исследовать Вселенную существа, физически ограниченные в своих возможностях, но не уступающие нам по разуму. В качестве примера взяты обитатели подледного океана спутника Юпитера Европы. Отсюда подзаголовок книги «О космологии землян и европиан».

Как за полчаса изменился мир

Текст, приведенный ниже, можно назвать скорее рассказом, чем интервью. У автора были заготовлены вопросы, но Андрей регулярно предвосхищал их — оставалось только слушать и запоминать.

Борис Штерн: Начнем с истории. Когда вам стало ясно, что теория инфляции — это и есть самый главный ответ на главные вопросы космологии?

Андрей Линде: Пожалуй, это было растянуто по времени, лучше изложить цепь событий. Мы ходили вокруг да около еще в 1976 году, когда с Давидом Абрамовичем Киржницем занимались фазовым переходом по электрослабому взаимодействию. Мы видели, что Вселенная может застрять в переохлажденном состоянии, когда в плотности энергии над всем доминирует поле типа поля Хиггса, причем застрять надолго. Это как раз то, что потом стало базой для первых инфляционных моделей, но у нас тогда были совсем другие задачи — в этом направлении мы совсем не думали.

Мы скорей думали о том, как из этого получить нужную энтропию, как объяснить с помощью переохлаждения барионную асимметрию (напомним, барионная асимметрия требует нарушения теплового равновесия, что и дает фазовый переход с переохлаждением. — Б.Ш.) На эту тему у нас была работа с Геной Чибисовым в 1978 году — у нас там тоже сталкивались пузыри новой фазы, как и в сценарии Алана Гута (Alan Guth). Но у нас не было идеи посмотреть, как фазовый переход влияет на динамику Вселенной, — нас интересовало рождение барионов.

Первое самосогласованное описание того, как может возникнуть мир де Ситтера, появилось в 1980 году в работе Алексея Старобинского. Это была блестящая работа, в России она оживленно обсуждалась на семинарах и конференциях. Помню, Андрей Сахаров находился в состоянии радостного возбуждения по поводу работы Алексея. Но было одно обстоятельство, которое меня озадачивало. Ранняя Вселенная, описывающаяся в его модели решением де Ситтера, была не сингулярной — ее история могла быть неограниченно продолжена назад во времени, минуя состояние бесконечной плотности. Но мир де Ситтера вместе с тем оказывался нестабильным, и эта нестабильность делала такое предположение невозможным. Кроме того, Алексей в своей работе писал следующее: «Наш сценарий прямо противоположен Мизнеровскому изначальному хаосу». Это противоречило основной идее инфляционной космологии: нужно описать, как Вселенная стала такой «хорошей», стартовав с чего угодно. Это есть и в сценарии Гута, и во всех последующих. А у Алексея наоборот — Вселенная начинается с «хорошего» чистого состояния, с мира де Ситтера, а потом уже с ней происходят всякие пертурбации.

Но эти проблемы были исправимы. Вскоре вышла провидческая работа Зельдовича, где он предлагает трактовать модель Старобинского как сценарий рождения Вселенной из ничего. Потом это формализовал Саша Виленкин. Затем, в 1983-м, после выхода моей статьи о хаотической инфляции, Алексей модифицировал свою модель на подобной основе, и его модель стала частью более стандартного подхода к инфляционной космологии.

Несмотря на бытовавшие в то время сомнения, Слава Муханов и Гена Чибисов решили отодвинуть в сторону все эти проблемы, взять модель Старобинского и посмотреть, как будут вести себя в ней квантовые флуктуации метрики — какой спектр возмущений они дадут. Ранее самой популярной гипотезой был плоский спектр Гаррисона — Зельдовича, однако он был взят с потолка, просто, чтобы объяснить данные по крупномасштабной структуре Вселенной. Муханов и Чибисов обнаружили, что из модели Старобинского в первом приближении получался именно такой спектр. Они также рассчитали отклонение от плоского спектра — он на самом деле логарифмический, и сейчас именно это видно по данным WMAP и «Планка».

Из работы Муханова с Чибисовым следовало, что галактики и их скопления не что иное, как бывшие квантовые возмущения, сначала растянутые инфляцией, а потом усилившиеся из-за гравитационной неустойчивости. Поначалу такое утверждение вызвало массовое неприятие: как огромный классический объект может появиться в результате квантовых процессов?! Сейчас это общее место.

В то время многие стали задаваться вопросом, как получить большую однородную Вселенную, но все сталкивались с какими-то проблемами. Я попал на семинар Рубакова — там пытались объяснить, почему Вселенная большая и плоская, исходя из модели Колемана — Вайнберга. Но из этого ничего не получилось. Когда мне позвонил Лев Борисович Окунь и сказал про работу Гута я сразу объяснил, почему это работать не будет, — мы уже имели дело с распадом переохлажденного скалярного поля. Вообще то время запомнилось ужасным эмоциональным состоянием — чувствовалось, что ответ близок, но всё что-то не клеилось.

В модели Старобинского чего-то не хватало в ее начале, на старте. Модель Гута очень хорошо обоснована, но не работает в ее конечной стадии. Успех работы Гута связан не с тем, что он ездил и всюду рассказывал. Ему удалось зажечь аудиторию ясной подробной аргументацией — через всю статью проходит чистая линия мысли. После его статьи всё стало прозрачным, несмотря на то, что проблема в целом еще не была решена. Зельдович вынужден был сказать: «Мы прошляпили инфляцию!»

Кстати, в Америке широкое общественное мнение насчет инфляции так и застряло в 1981 году. Согласно популярным статьям и учебникам, Алан Гут — единственный герой новой космологической парадигмы. Но он сам нашел, что его теория не работает, а год спустя подтвердил этот вывод.

— Новый сценарий возник на следующий год?

— Да, очень скоро. Игорь Ткачев уже отчасти рассказал про то, над чем я бился в то время. Действительно, я пытался понять, куда происходит туннельный переход скалярного поля в сценарии Гута, при этом пришлось использовать компьютер, с которым я не был дружен. Получилось, что иногда поле перескакивает под барьером почти по горизонтали — то есть оказывается высоко на склоне потенциала. А дальше — проще: оно медленно скатывается вниз по склону (соответствующее уравнение было известно больше сотни лет назад — это уравнение гармонического осциллятора с вязким трением), и пока оно скатывается, пузырек за счет экспоненциального раздувания успевает вырасти в целую Вселенную! Но тогда зачем вообще нужен барьер? Пусть поле просто скатывается с пологой вершины… Показалось, что я на правильном пути.

Это было в начале лета 1981 года, поздним июньским вечером. Семья уже спала. Я взял телефон и забрался с ним в ванную комнату, чтобы не будить детей, позвонить Рубакову и спросить его, что он думает по этому поводу (есть люди, с которыми нельзя делиться идеями, а есть те, с которыми можно без всяких опасений). Валера ответил, что слышит про такой сценарий впервые и сам над этим не думал. Я рассудил, что если он до этого не додумался, то скорей всего не додумался никто, и надо действовать срочно. Разбудил жену и обсудил с ней всё это. (Жена Андрея — Рената Каллош, известный физик-теоретик, работающий в области теории струн. — Б.Ш.) Очень быстро написал статью, отправил в Главлит, но разрешение на публикацию пришло только через несколько месяцев в октябре 1981 года.

В то время в ГАИШе проходила конференция, на которую приехал Стивен Хокинг. Меня попросили переводить на русский его доклад.

Выглядело это так: Хокинг произносил слово, которое могли разобрать только хорошо знающие его люди. Это слово «переводил» на английский его аспирант. А потом я переводил это слово на русский. Это стало удручающим, и я стал забегать вперед, экстраполируя речь докладчика. Хокинг доказывал, что модель Гута спасти нельзя. Он сказал, что у Линде была замечательная идея, как это сделать, но она не работает, и оставшуюся часть доклада я переводил аргументы, почему моя идея работать не может. В более глупом состоянии я никогда не находился: в зале сидели лучшие физики Москвы, от которых зависело мое будущее, а я при них публично себя ругал.

После доклада я сказал Хокингу, что не согласен с его аргументацией, и около двух часов объяснял ему, почему моя идея все-таки должна работать. Он внимательно слушал и время от времени произносил: «О!», — и его студент переводил: «Но вы же раньше об этом не говорили!» Вскоре Хокинга хватились перепуганные организаторы конференции. Пропажа иностранца, да еще знаменитого, — это было ужасно! В конце концов нас нашли в аудитории около доски, видимо, испытав огромное облегчение.

После этого Хокинг пригласил меня к себе в отель. Дискуссия продолжалась, затем он стал показывать фотографии своей семьи и пригласил меня на конференцию в Кембридже, которая в основном была посвящена моему сценарию. Туда поехало несколько человек из России, включая нас со Старобинским. В ходе конференции мы поняли, что новый инфляционный сценарий, который я придумал в 1981 году, нужно менять.

— Пока шла речь о новой инфляции. Как возникла хаотическая?

— С новой инфляцией была проблема: предполагалось, что инфлатонное поле, ответственное за раздувание Вселенной, сначала должно прийти в термодинамическое равновесие, чтобы оказаться в нуле -на вершине холма, но времени на это оказывалось очень мало. А если поле не успело термализоваться и находится где-нибудь на склоне потенциала? Написал уравнения -увидел простое решение: поле всё равно успевает раздуть Вселенную, если потенциал достаточно полог и путь вниз достаточно длинный. Вроде можно обойтись и без термализации. Но в этом была психологическая проблема: Вселенная должна быть горячей изначально — к этому все привыкли! Идея горячей Вселенной была всем близка, и отказаться от нее было очень трудно.

Словарик

Космологическая инфляция — процесс экспоненциального расширения Вселенной, который имел место в течение 10-35-10-33 с перед Большим взрывом. Фактически, это и есть «начальный толчок», породивший огромную однородную Вселенную.

Мир де Ситтера — решение уравнений Эйнштейна, которое как раз и описывает процесс инфляции в его самом чистом виде. Для своей реализации требует вакуума с положительной плотностью энергии и отрицательным давлением p = -ε.

Гауссовость — математически определяется, как отсутствие корреляций между фазами разложения по ортогональным мультиполям. Физически это означает, что карта реликтового излучения возникла, как сумма независимых друг от друга возмущений.

Логика хаотической инфляции была такая: давайте не пытаться решить сразу все вопросы. Предположим, что у природы есть выбор, — с чего начать. И если природа пробует разные варианты, то наверняка и те, для которых простые уравнения показывают вход в режим инфляции.

Большая часть людей была полностью перпендикулярна этой идее. Тут уже речь идет не о логике, а о психологии или даже о социальном эффекте. Люди долго и упорно занимались горячей Вселенной, потратили на это массу времени и сил. И тут им кто-то пытается сказать, что это всё напрасно, что всё работает совершенно по-другому. Первая естественная реакция в таком случае — отправить проспаться того, кто такое говорит. Это всё равно, как ломают твой дом, который ты обжил.

— Ну, сейчас-то эта главная идея стала общим местом.

— Сейчас — да, общее место, но тогда это был болезненный перелом. До сих пор большинство учебников, говоря об инфляции, преподносят старую версию, базирующуюся на сценарии Гута и на моей «новой инфляции». Многие так и не поняли, что эти две идеи умерли 30 лет назад и были заменены идеей хаотической инфляции, которую я предложил в 1983 году. Еще более трудный перелом я пережил в 1986 году.

— Вечная инфляция?

— Да. Она открывалась мучительно. Зато очень четко запечатлелся миг узнавания.

Первые проблески вечной инфляции появились еще на уровне модели Гута, но там это был недостаток. Затем Пол Стейнхардт (Paul Steinhardt) обратил внимание, что в новой инфляции это тоже имеет место. Тут же я выпустил препринт, где утверждал, что это как раз очень интересно: всё время, пока инфляция продолжается, возникают новые вселенные с разными свойствами. То же самое относилось и к случаю новой инфляции. Это был 1982 год.

В 1983 году Александр Виленкин сделал более элегантную работу на ту же тему. Он показал, что даже если поле где-то сползло с центрального бугра, квантовые флуктуации могут забросить его назад и инфляция продолжится.

Ну, а в 1986 году произошел момент кристаллизации: то же самое можно сделать и в рамках хаотической инфляции! Поначалу это казалось безумием — то же самое, постоянный заброс поля наверх может происходить и на склоне потенциала! Причем это откровение пришло в момент тяжелейшего душевного кризиса.

Тогда уже началась горбачевская перестройка и среди прочего — перестройка Главлита с целью упрощения. Но старую систему закрыли, а с новой протянули целый год, и в этот год мы не могли публиковать статьи. Это было тяжелым ударом. К тому же я писал книгу, и она плохо шла — всё время приходилось что-то переписывать, а тогда приходилось всё делать на бумаге с ножницами и клеем-менять листы, переклеивать ссылки, что выбивало из колеи. В довершение я учился водить машину, а в том возрасте моторика уже не та, что в юности. И когда я в очередной раз загонял машину в сугроб, инструкторы орали на меня матом. В результате я пребывал в очень плохом состоянии, чувствовал себя ужасно, без сил. Ничего не мог делать — валялся на диване и читал детективы.

В это время вдруг позвонили из ФИАНа — надо ехать в Италию со странной миссией — читать популярные лекции в рамках каких-то договоренностей. Причем лекции по астрономии, что не является моей основной специальностью. В то время действовал негласный лимит — одна поездка за границу в год. Жаль было тратить этот шанс на такое. Решил отвертеться по болезни, тем более, что действительно чувствовал себя совершенно больным. В конце концов справку о том, что я болен, подписал Виталий Гинзбург.

Однако, вскоре раздался еще один звонок. Мне было сказано: если вы больны сегодня и не способны выздороветь к моменту поездки, то может быть вы вообще не в состоянии ездить за границу? Я понял, что дело серьезно. Встал, взял такси, что было в то время для меня ответственным финансовым решением,поехал в поликлинику и, пройдя за день всех врачей, получил справку, что я абсолютно здоров. После этого я два дня отлеживался, потом встал и за день оформил все бумаги, на что обычно уходил месяц или два. Мне позвонили опять и сказали, что итальянцы хотели бы видеть текст моих лекций. «Когда?» — «Завтра!»

Всё это выглядело безумием. Но мне пришло в голову, что в этом есть хорошая сторона. В течение года я ничего не мог из своих работ опубликовать за границей, а сейчас, если я что-нибудь интересное сделаю, они пошлют мою работу сами без всякого Главлита дипломатической почтой. Глупо эту возможность упускать, но и старое печатать незачем. Что я могу придумать нового за полчаса, чтобы тут же напечатать и завтра отправить? Я обхватил голову руками и стал раскачиваться из стороны в сторону: что я могу придумать за полчаса?

И через полчаса у меня была теория вечной хаотической инфляции. Это было одним из самых сильных эмоциональных потрясений моей жизни. Конечно, напечатать это за один вечер у меня уже не было сил, но через месяц, уезжая в Италию, я вез с собой три новых работы на эту тему, которые я отправил оттуда в три разных журнала. Так вероятно и бывает в жизни: когда судьба скручивает человека, сжимает его как пружину, если он при этом не ломается, то потом распрямляется с той же силой.

Сначала это показалось невероятным: поле-инфлатон за счет квантовых флуктуаций при достаточно общих предположениях способно скакать вверх по склону потенциала — вплоть до планковских значений плотности энергии. Когда потенциал достигает значений, близких к планковскому, возбуждаются большие флуктуации всех остальных полей. А это значит, что вакуум может перестроиться, — поле снова покатится вниз, раздувая пространство уже с другим вакуумом, с другими законами физики. Как будто повязка с глаз спала! Мир изменился, и это был шок.

Я понял, что должен заново переписать книжку, над которой работал. В статье я писал, что не надо пытаться объяснять, почему мир именно таков, каким мы его видим. Когда-то Эйнштейн настаивал именно на таком подходе: нужно объяснить, почему законы физики и физические константы именно такие, какие есть, а другого не может быть. Но мир не единственен, и набор законов природы — тоже. Они таковы, потому что мы можем жить только там, где законы нам позволяют жить. Рыба может жить только в воде, мы — только на суше под слоем атмосферы, и так далее. Надо объяснять совсем другое: как образуется много разных частей Вселенной (или разных вселенных) с разной физикой, чтобы в каких-то из них могли жить мы или кто-то еще.

— Это было более четверти века назад. С тех пор кое-что изменилось, в том числе открыто ускоренное расширение Вселенной, которое можно назвать современной демонстрацией того, что механизм работает. Данные WMAP и «Планка» льют воду на ту же мельницу. Насколько вообще космологическая инфляция утвердилась в общественном сознании, и есть ли конкурентоспособные альтернативы?

— Как сказал Черчилль: «Демократия — худшая форма правления, за исключением всех остальных, которые пробовались время от времени». Конечно, в теории инфляции есть проблемы. И, конечно очень важно исследовать все возможные альтернативы — только после этого можно быть уверенным в теории. Очень интересно, если удастся найти нечто разумное.

Вопрос в том, как исследуются альтернативы. Если человек делает это честно, как, например Валера Рубаков, это очень полезная деятельность. А если человек просто делает карьеру на альтернативных теориях, это порой выглядит удручающе. Например, люди, занимающиеся альтернативными теориями, говорят: «Мы уже всё решили». Им указывают на конкретные ошибки. Через год они, слегка подправив модель, говорят: «Мы опять уже всё решили». И так далее. Самое плохое в этом то, что таким образом отвращается от науки молодежь — наблюдая подобный цирк, легко прийти к заключению, что вся наука такова. Получается так, что одни занимаются физикой, а другие — обустройством социальной ниши.

Конечно же, нельзя исключить, что вдруг появится нечто, более мощное, чем теория инфляции. В этом случае я был бы первым, кто это приветствовал. И уж точно лучше не отсиживаться в кустах, подобно Остапу Бендеру, когда их догнал настоящий автопробег. Я бы чувствовал себя в подобной позиции отвратительно! Но пока на горизонте не видно ничего, что бы могло составить реальную конкуренцию. Кстати, еще один важный момент. В отличие от альтернативных моделей, в теории инфляции не важно, через что проходит Вселенная перед тем, как раздуться. Это может быть стадия сжатия некой предшествующей вселенной. Это может быть обычная космологическая сингулярность — инфляция стартует от состояния, близкого к планковскому, независимо от того, откуда последнее взялось.

Естественно, в теории есть неясные места. Никакая версия инфляции не идеальна. Основные проблемы начинаются при приближении к самому началу — к планковским масштабам. Но эти проблемы носят общий характер — как сшить гравитацию с квантовой механикой; какова роль теории струн? Мы привыкли работать в классическом времени, а как с ним работать в условиях квантовой гравитации в режиме, когда все часы и линейки немедленно ломаются, и говорить о «времени», когда родилась Вселенная, становится трудно?

— Наконец, благодаря WMAP и «Планку» дошло дело до того, что данные позволяют выбирать между разными версиями инфляции. Найдут ли все-таки гравитационные волны и на каком уровне?

— Не так давно делались ставки, что отношение амплитуды гравитационных волн к амплитуде скалярных возмущений, обозначаемое как r, будет найдено на уровне 15%. Есть несколько вариантов теории, которые предсказывают отношение r на уровне 3…4 x 10-3.

— Так это ровно то, что называл Алексей Старобинский для своей модели — полпроцента!

— Да, но тут не только его модель, что само по себе является удивительным. Например, Михаил Шапошников с Фёдором Безруковым придумали хиггсовскую инфляцию, где инфлатоном выступает поле Хиггса, но не просто так, а имея неминимальное взаимодействие с гравитацией. Их модель совершенно не похожа на модель Старобинского. А предсказания дает точно такие же. И не они одни. Например, мы с Ренатой Каллош тоже пробовали строить разные потенциалы на основе супергравитации и нашли огромный класс теорий с такими же предсказаниями. Может быть, в этом странном факте заключена какая-то важная подсказка, которую мы пока не понимаем?

— Дойдут ли наблюдатели до этого уровня?

— Возможно. Причем, скорее, на наземных установках. Их преимущество перед космическими экспериментами — возможность неограниченного наращивания. Появились новые деньги — поставили новые приемники в дополнение к старым — точность возросла. Правда, подавляющее большинство суперструнных моделей инфляции дает вообще безнадежно малый вклад гравитационных волн — ниже порога регистрации любого мыслимого эксперимента.

Что касается данных «Планка» -с ними связана довольно драматическая история. Простые и наиболее естественные модели инфляции говорят, что реликтовое излучение должно быть с хорошей точностью гауссовым. Тем не менее, существуют модели инфляции с несколькими взаимодействующими друг с другом полями, где гауссовость нарушается. Людей, занимающихся такими моделями, много — это достаточно широкая социальная ниша.

В какой-то момент пошли слухи, что команда WMAP намерила отклонение от гауссовости. Народ из вышеупомянутой ниши взбодрился. Я позвонил одному из членов команды, он сказал, что слышит такое впервые, — никаких отклонений они не видят. Мы, затаив дыхание, ждали результатов «Планка». Жили, как на вокзале, — пока не было ответа наблюдателей, рот был заткнут. Наконец в марте прошлого года космологические результаты «Планка» были опубликованы. Практически никаких отклонений от гауссовости, предсказания простейших моделей инфляции подтверждены.

Люди, занимающиеся сложными моделями инфляции, были несчастны. А для нас — как будто плотину прорвало! Значит, можно ничего не бояться и продолжать заниматься тем, что представляется наиболее красивым и естественным.

— Так, пожалуй, это и есть главный результат «Планка» на данный момент. В остальном — только уточнение относительно WMAP.

— Согласен, это и есть главный результат.

P.S. На этом интервью завершилось без пафосно закругляющегося конца, поскольку оба устали — Андрей устал говорить, а автор, принципиально не пользующийся электронной записью, устал воспринимать и фиксировать сказанное закорючками на бумаге.

P.P.S. Интервью было взято до объявления результатов по обнаружению гравитационных волн экспериментом BICEP2 в Антарктиде (см. ТрВ-Наука, № 150). Вот что Андрей написал вдогонку: «Недавние результаты полученные на установке BICEP2 рядом с Южным Полюсом показывают, что амплитуда гравитационных волн может оказаться очень большой, вплоть до r = 0,2, близко к тому, что предсказывают простейшие варианты хаотической инфляции. Если эти результаты подтвердятся, то это достижение будет сопоставимо по значению с открытием бозона Хиггса. Но пока еще рано подводить итоги. Нужно провести независимую проверку и понять причины разницы в результатах BICEP2 и предыдущих попыток найти сигнал от гравитационных волн. Одно несомненно: мы живем в эпоху великих космологических открытий!»