Продолжая тему открытия гравитационных волн, мы поговорили с известным российским физиком-теоретиком, академиком РАН Валерием Рубаковым.
©Wikipedia
Валерий Анатольевич Рубаков – один из ведущих мировых специалистов в области квантовой теории поля, физики элементарных частиц и космологии, доктор физико-математических наук, автор более 160 научных работ, внесших существенный вклад в теорию ранней Вселенной, непертурбативную квантовую теорию поля, теорию образования барионной асимметрии Вселенной и теорию гравитации.
– Валерий Анатольевич, на ваш взгляд, все-таки, было ли открытие, или об окончательных достоверных результатах говорить пока рано?
– Да, это настолько фундаментальная вещь, что к ней надо относиться очень осторожно. Я бы не торопился говорить о том, что открытие уже однозначно сделано. Есть определенная заявка, но нужно иметь подтверждение этого результата с помощью других экспериментов. На том же Южном полюсе, где работает телескоп BICEP2, есть еще, по крайней мере, два детектора, которые тоже способны зарегистрировать подобный сигнал. Кроме того, имеются еще необработанные данные с отлетавшего спутника Planck. Все это предстоит проанализировать и понять, насколько люди выдают желаемое за действительное. Так что окончательные выводы можно будет сделать только в течение года или двух лет. Возможно, это произойдет быстрее, но до того момента я бы не торопился заявлять об открытии.
Валерий Анатольевич Рубаков — один из ведущих мировых специалистов в области квантовой теории поля, физики элементарных частиц и космологии, доктор физико-математических наук, автор более 160 научных работ, внесших существенный вклад в теорию ранней Вселенной, непертурбативную квантовую теорию поля, теорию образования барионной асимметрии Вселенной и теорию гравитации.
– Даже если находка полностью подтвердится, достаточно ли будет этих косвенных доказательств существования гравитационных волн?
– Сначала разберемся — что, собственно, открыли? Если это, действительно, гравитационные волны, то открыли эффект от них, который проявляется в определенной поляризации реликтового излучения — В-моды.
Надо понимать, что речь идет о гравитационных волнах с длиной волны порядка миллиарда световых лет. Соответственно, и эффект в особенностях поляризации реликтового излучения тоже проявляется лишь на таких громадных расстояниях. Пока невозможно себе представить никакого другого явления, которое могло бы проявлять себя таким образом, кроме как гравитационные волны. Поэтому, если результаты наблюдений будут подтверждены, то можно с уверенностью говорить — это определенно гравитационные волны гигантской длины.
– Как гравитационные волны проясняют будущее и прошлое Вселенной?
– О будущем они не говорят ровным счетом ничего, зато прошлое проясняют досконально. Многие привыкли думать, что в прошлом Вселенная пережила очень горячую стадию, когда вещество было раскаленным и плотным, и сама она фантастически быстро расширялась (сейчас она расширяется медленно). Но не все знают, что эта горячая стадия была не самой первой. Нам известно, что до нее была еще одна стадия, совсем не похожая на горячую. Мы знаем о ее существовании благодаря тому, что во Вселенной есть галактики, звезды, мы с вами.
Происхождением всего этого мы обязаны очень короткой по человеческим меркам — кратчайшие доли секунды — но очень важной стадии инфляции. Это — эпоха, которая сделала Вселенную неоднородной, когда она растянулась в гигантское число раз. Трудно даже сказать, во сколько раз именно, это может быть цифра с тысячами или миллионами нулей.
До открытия гравитационных волн (если предварительно все-таки говорить о нем) существование этой стадии оставалось лишь гипотезой. Но если открытие подтвердится, мы сможем быть уверены, что горячей стадии действительно предшествовала инфляционная, потому что реликтовые гравитационные волны такой невероятной длины и столь большой амплитуды может генерировать только инфляция.
Есть и конкурирующие гипотезы, которые до окончательного подтверждения результатов отбрасывать еще рано. Одна из них, например, утверждает, что поначалу Вселенная сжималась, потом сжатие останавливалось, и лишь затем началось расширение. Такого рода теории, однако, предсказывают пренебрежимо малые амплитуды реликтовых гравитационных волн. Отсюда и важность их обнаружения.
– Обнаружение следов гравитационных волн послужило поводом порассуждать о Мультивселенной, о других мирах, происхождение которых объясняется неоднородностью ранней Вселенной. Из таких неоднородностей, по мнению многих ученых, могли образоваться «параллельные» миры с другими законами физики. Что Вы думаете по этому поводу?
– Когда мы говорили о происхождении галактик и всего, что нас окружает, мы имели ввиду, что они образовались из крохотных отклонений от средней плотности вещества в ранней Вселенной. Эти относительные возмущения плотности находятся на уровне примерно 10-5 — одна стотысячная. Где-то на одну стотысячную долю плотность оказалась больше, где-то — меньше…
Но если развивать инфляционную теорию дальше, оказывается, что где-то могли появляться неоднородности гораздо большей амплитуды. Это как раз и привело к тому, что где-то, возможно, эта инфляция продолжается по сей день, хотя у нас она уже закончилась. Но речь отчасти идет, конечно, о некой вещи в себе, потому что расстояние от нас до этих вселенных, где все по-другому устроено, просто гигантские. Они настолько велики, что узнать про них хоть что-то не удастся никогда. Они есть в нашей голове, они могут появляться на бумаге, но экспериментально или с помощью наблюдений дотянуться до этих областей невозможно.
– Есть ли еще какие-то потенциальные свидетельства существования гравитационных волн, кроме поляризации реликтового излучения?
– Гравитационные волны накладывают отпечаток не только на поляризацию, но и на то, как распределена по небу температура реликтового излучения. Дело в том, что реликтовое излучение, которое мы можем наблюдать в разных уголках неба, имеет немного разную температуру. И эта разница в температуре как раз соответствует относительному различию плотности в разных местах Вселенной — на уровне одной стотысячной.
Факт разницы температур известен примерно с 1992 года, за его обнаружение была вручена Нобелевская премия. Эту анизотропию температур создают, в том числе, и гравитационные волны. Поэтому их проявления можно было бы обнаружить, изучая температурную карту неба.
И тут есть некоторая интрига, потому что за год до настоящего момента, когда телескоп BICEP2 выдал свои сенсационные данные, были получены данные спутника Planck, которые касались как раз температурной карты неба. И из них следовало, что никаких гравитационных волн нет — то есть, с некоторой точностью нет, поскольку эти наблюдения поставили верхний предел на амплитуду таких гравитационных волн. Этот предел был ниже того, что определил телескоп BICEP2.
Нельзя сказать, что эти два эксперимента вошли в серьезное противоречие, тем ни менее, некоторая несогласованность между ними имеется. Телескоп в Антарктиде свидетельствует, что гравитационные волны довольно большой амплитуды существуют. А вот данные Planck наличие гравитационных волны с такой амплитудой пока не подтверждают. Но стоит помнить, что все это — эксперименты, в которых всегда есть погрешности. Поэтому пока открытие, грубо говоря, находится еще в рамках этих погрешностей. И какой из телескопов выдал правильные результаты, судить пока рано.
– Кстати, почему телескоп BICEP2 находится именно на Южном полюсе?
– Реликтовое излучение — это радиоволны. И важно иметь подходящие атмосферные условия, чтобы эти волны точно измерять. В Антарктиде как раз такие условия имеются.
– Можно ли уже говорить о каком-то конкретном применении гравитационных волн?
– Пока такого применения нет, но никогда не говори «никогда». Речь идет о первых долях секунды эволюции Вселенной, и как это знание можно применить для получения какой-то практической пользы, пока неясно. Но кто знает, может быть, через 200-500 лет это открытие станет весьма востребованным.
Инфляционная теория развития Вселенной, без сомнения, является самой популярной. Но существую и другие гипотезы, которые также объясняют все известные свойства неоднородностей. Есть и такая, которая утверждает, что наша Вселенная изначально была «пустым местом», она была холодной, огромной и вообще похожей на то, что мы имеем сейчас. Конечно, безо всяких галактик, звезд и планет. Была лишь пустота и статичность, которая ни сжималась, ни расширялась. И лишь позже, потихоньку, в результате каких-то процессов (ученые примерно предполагают, как это могло происходить) в ней накапливалась и увеличивалась плотность энергии. Напомним, что в космологии не действует принцип сохранения энергии, а потому энергия может изменяться, а, значит, и плотность энергии, и она сама в целом могут увеличиваться. Увеличивается энергия – расширяется Вселенная, а это приводит одновременно к разгону расширения. Она стала расширяться все быстрее, энергия в ней стала накапливаться. И в один прекрасный момент эта энергия каким-то образом превратилась в горячую плазму – Вселенная перешла на горячую стадию. В соответствии с этой гипотезой космологи тоже могут строить модели появления неоднородностей плотности материи. Причем, свойства последних оказываются именно такими, какими и должны быть. Однако реликтовые гравитационные волны в таком сценарии не образуются.
