Теория инфляции — что не так с «объяснением расширения Вселенной» с точки зрения науки

От редакции

В русскоязычном научном сообществе ученые и популяризаторы как правило избегают публичного обсуждения наиболее сложных мест в современной науке. Многие из них описывают современную науку так, как будто она лишена постоянных и крайне острых споров по ключевым вопросам. Описывают в стиле «в целом нам все понятно, но есть небольшие мелкие детали, нуждающиеся в уточнении».

Этот стиль «не выносим мусор из избы» часто нацелен на то, чтобы не ронять авторитет науки «в народе». Ведь в действительно острых научных и технических дискуссиях регулярно используются не особенно честные методы борьбы и довольно жесткая, острокритическая риторика.

В западном научном сообществе в последние десятки лет часто поступают иначе: многие ученые открыто говорят, что целые отрасли науки в тупике. Например, что темная материя не состоит из частиц, и в том числе поэтому текущие физические теории во многих аспектах явно неудовлетворительны и нуждаются в замене или коренном пересмотре. Одна из тех западных физиков-популяризаторов, которая не стесняется описывать подобные проблемы, — Сабина Хоссенфельдер (Sabine Hossenfelder).

Предлагаем вашему вниманию перевод текста из ее научного блога. Он важен не просто потому, что показывает шаткость гипотезы инфляции, но и потому, что из ее недоказанности следует необходимость в очень-очень масштабных доработках современной физики. Доработках, которые неизбежно коснутся не только прошлого, но и будущего Вселенной (как и всего человечества).

На наш взгляд, наука достаточно красива, чтобы не нуждаться в драпировке. А честность в показе ее проблем только поднимает доверие людей к ученым. От себя мы добавили только названия подразделов и текст в квадратных скобках, поясняющий не самые популярные места в изложении автора.

Раздувалась ли ранняя Вселенная?

Одним из самых удивительных открытий прошлого века стало то, что Вселенная расширяется. Физики вывели его из общей теории относительности Эйнштейна. Да, опять этот парень! Но после этого открытия физики усложнили теорию. Они добавили гипотезу о том, что Вселенная не только расширяется, но и что в самом начале, сразу после Большого взрыва, она расширяется экспоненциально, раздув общий объем существующего пространства на 30 порядков за доли секунды.

Такое быстрое экспоненциальное расширение ранней Вселенной называется «инфляцией», и оно не следует из теории Эйнштейна. Зачем физики добавили это усложнение? Как «работает» инфляция? И есть ли у нас доказательства, что гипотеза инфляции действительно верна?

В научно-популярных СМИ инфляция иногда преподносится как установленный факт. Но это не так. Ее статус схож со статусом гипотезы о том, что темная материя состоит из частиц. Обе эти гипотезы — неподтвержденные. Но если большинство физиков согласны с тем, что темная материя частиц еще не получила эмпирического подтверждения, то мнения о том, есть ли такие подтверждения у гипотезы инфляции, резко различаются.

Инфляция доказана наблюдениями…

С одной стороны, есть люди вроде Алана Гута (Alan Guth), одного из разработчиков гипотезы инфляции, утверждающие, что сторонники инфляции сделали много правильных предсказаний и что доказательства говорят в их пользу. С другой стороны, есть люди вроде Пола Стейнхардта (Paul Steinhardt), который также один из основных разработчиков гипотезы инфляции, только вот он, как и многие, утверждает, что инфляция не дает никаких предсказаний и даже не является наукой. В своем эссе, написанном для Scientific American несколько лет назад, Стейнхардт вместе с Анной Иджас и Ави Лёбом написал: «Инфляционная космология, как мы ее сейчас понимаем, не может быть оценена с помощью научного метода».

Кто из них прав? Они оба правы и в то же время оба ошибаются. Чуть позже вы поймете, что я имею в виду.

Основные разногласия между двумя сторонами носят философский [здесь и далее Хоссенфельдер имеет в виду философию науки] характер, и мы должны разобраться с этим, прежде чем говорить о научной стороне проблемы.

Алан Гут и большинство его коллег утверждают, что уже физики использовали модели инфляции для предсказаний, которые впоследствии подтвердились. Например, гипотеза инфляции предсказала некоторые свойства крупномасштабной структуры и космического микроволнового фона. О чем конкретно речь? В частности, она предсказала скалярный спектральный индекс несколько меньше единицы. А также то, что пространство Вселенной в среднем «плоское» [имеется в виду, что оно подчиняется евклидовой геометрии], с хорошей точностью.

И спектральный индекс, и «плоское» пространство согласуются с астрономическими наблюдениями. Поэтому Алан Гут и его единомышленники считают эти моменты свидетельством в пользу инфляции. Стейнхардт и его лагерь возражают: на самом деле инфляционные модели предсказывали все, что угодно, так что те предсказания, которые оказались согласующимися с наблюдениями, не могут говорить в пользу инфляции.

…или вовсе нет?

В этом отношении сторонники Стейнхардта явно правы. Если кто-то сделал верное предсказание, это еще не значит, что у него есть хорошая научная теория. Возможно, им просто повезло. И если вы делаете достаточно много разных предсказаний, шанс, что одно из них впоследствии совпадет с наблюдениями, очень высок. В этом смысле предсказания действительно переоценены. Хороша ли научная теория или нет, не имеет никакого отношения к времени, в течение которого человек проводит расчеты с ее помощью. Вместо этого важно то, сколько данных вы можете правильно объяснить с ее помощью. С этой точки зрения аргумент Гута не выдерживает критики.

Стейнхардт и его сторонники утверждают, что инфляция — настолько гибкая гипотеза, что ее можно подогнать под любые данные. Чтобы понять, почему они так говорят, давайте посмотрим, как работает инфляция. Ее ключевая идея: в ранней Вселенной [сразу после Большого взрыва] не было материи, но был новый тип поля, называемый инфлатонным полем. Поле инфлатона обладает потенциальной энергией и имеет начальное условие. Эта потенциальная энергия и начальное состояние — вот тут-то и возникает проблема — описываются кучей параметров и функций.

Эта потенциальная энергия приводит к экспоненциальному расширению Вселенной. Но по мере расширения Вселенной [гипотетическое] инфлатонное поле теряет свою потенциальную энергию. И когда это происходит, поле распадается, образуя обычные частицы из стандартной физической модели. И темную материю — для тех, кто считает, что она существует [в форме частиц]. А может, инфлатонное поле и не образует этих частиц [Хоссенфельдер имеет в виду, что моделей инфляции очень много, для некоторых инфлатонное поле не дает таких эффектов на частицы].

В любом случае инфлатонное поле исчезает, и мы не можем увидеть его сегодня. А когда инфлатонное поле исчезает, вы берете то, что от него осталось в наши дни, и на основе этого вычисляете, что мы должны наблюдать.

Таким образом, гипотеза инфляции работает так: вы вводите некоторые параметры, начальные значения и функции, и в результате получаете числа, которые мы должны измерить [современными астрономическими наблюдениями]. Существуют буквально сотни моделей инфляции, и каждая из них дает существенно разные предсказания.

Стейнхардт и его коллеги утверждают, что независимо от того, что мы наблюдаем [в окружающей нас Вселенной], всегда можно скомпоновать инфляционную модель, которая будет соответствовать наблюдениям. Поэтому сама идея инфляции не имеет предсказательной силы [поскольку если предсказать можно любые параметры, то непонятно, какое значение из предсказанного широкого набора реально].

Девять тысяч ученых не могут ошибаться. Хотя…

У Гута и его сторонников есть два ответа на позицию Стейнхардта и ко — два ответа, которые фактически противоречат друг другу. Во-первых, вы часто слышите, как они утверждают, что инфляция сделала однозначные предсказания. Я их уже называла: что спектральный индекс несколько меньше единицы и что кривизна пространства сегодня мала [Вселенная «плоская»]. По сути, эта кривизна настолько мала, что ее оценки согласуются даже с нулевой кривизной.

Проблема в том, что этот ответ группы Гута — вопиющая неправда. Если вы посмотрите на ту научную литературу, что была написана до появления наблюдательных данных [по спектральному индексу и кривизне Вселенной], то легко найдете в ней и такие инфляционные модели, которые предсказывали спектральный индекс больше единицы. И инфляция вовсе не предсказывает кривизну пространства во Вселенной. Инфляция просто уменьшает некое начальное значение, которое вы выбрали для кривизны. Но для любого значения [кривизны], которое мы наблюдаем сегодня, существует некоторое начальное значение [которое из инфляции никак не вытекает].

Второй «оборонительный» ответ, который вы услышите от защитников инфляции, заключается в том, что у нас есть множество инфляционных моделей, и они предсказывают все что угодно. Это противоречит первому «оборонительному» аргументу. Но, продолжают защитники инфляции, мы просто определяем правильные параметры и потенциал [инфлатонного поля ранней Вселенной] из наблюдений [за современной нам природой]. И то же самое ученые в других областях физики делают со стандартной моделью физики частиц. Например, в этом подкасте Алан Гут сделал следующее утверждение.

«Конечно, верно, что существует множество различных версий инфляции, которые вы [подобной критикой] хорошо описываете, и которые зависят от того, что вы предполагаете относительно функции потенциальной энергии для инфлатонного поля. Это могут быть модели со многими инфлатонными полями, более сложными потенциалами и взаимодействиями между ними. Так что да, здесь существует большое разнообразие. Но точно такая же ситуация есть и в квантовой теории поля, и в том, как она связана со стандартной моделью физики частиц».

Другой пример [оборонительного ответа]: в ответ на статью Стейнхардта и соавторов в Scientific American группа космологов написала письмо. Его подписали многие крупные специалисты в области инфляции: Алан Гут, Андрей Линде, Дэвид Кайзер, а также Стивен Вайнберг, Фрэнк Вильчек и Эд Виттен. Они пишут:

«Проверяемость теории ни в коем случае не требует, чтобы все ее предсказания не зависели от выбора [не вытекающих из нее] параметров. Если бы требовалась такая независимость от выбранных параметров, то нам пришлось бы поставить под сомнение и статус Стандартной модели с ее эмпирически определенным содержанием частиц и 19 или более эмпирически определенными параметрами».

Конечно, верно, что для того, чтобы теория была проверяемой, не все ее предсказания должны быть независимы от параметров. Но она требует, чтобы вы предсказывали больше точек в данных, чем у вас было выбрано исходных параметров. Теория становится научной тогда, когда вы получаете от нее больше [информации], чем вводили, иначе вы ничего не объясняете, вы просто слишком усердно подгоняете данные.

И вот когда дело доходит до подгонки данных, ситуация с инфляцией даже отдаленно не сравнима со стандартной моделью физики частиц. В физике частиц эти 19 параметров исходных эффективно объясняют буквально терабайты данных [физических экспериментов и наблюдения]. Это означает, что стандартная модель физики частиц обладает чрезвычайно высокой объясняющей способностью. Но вот в инфляции данные, которые вы пытаетесь предсказать, сводятся всего к нескольким числам. В этом случае входные данные модели на самом деле сложнее [и намного больше по объему], чем выходные. Это означает, что это плохие модели, не обладающие объяснительной силой.

Иными словами: то, что в стандартной модели физики частиц формально используют ту же процедуру, что и для гипотезы инфляции, совершенно неважно [поскольку по сути ситуация совершенно разная]. В моем понимании именно это утверждает сторона Стейнхардта. И в этом вопросе они явно правы. Инфляция предсказывает все что угодно, и нет, это не нормальная научная методология. Стандартная научная методология требует, чтобы вы придерживались моделей, которые обладают объяснительной силой.

Стайнхардт, кстати, 20 лет назад утверждал как раз обратное — был активным сторонником гипотезы инфляции. Причина, по которой он изменил свое мнение, в следующем: многие космологи утверждают, что инфляция ведет к гипотезе множественности Вселенной. А идея мультивселенных Стейнхардту не нравится. Поэтому теперь он придумал свою собственную альтернативу инфляции, которая представляет собой разновидность циклической космологии. Это не очень-то пошло на пользу его аргументации [циклическая модель Стенйхардта имеет много слабых мест].

Не то чтобы у Гута и его сторонников дела шли лучше. Вспомним еще один «аргумент», который защитники инфляции привели в своем оборонительном письме:

«Согласно базе данных физики высоких энергий INSPIRE, в научной литературе существует более 14 тысяч работ (написанных более чем 9 тысячами различных ученых), которые используют слово „инфляция” или „инфляционный” в своих названиях или аннотациях. Утверждая, что инфляционная космология лежит вне научного метода, [Иджас, Стейнхардт и Лёб] отвергают исследования не только всех авторов этого письма, но и значительной части научного сообщества».

Этот аргумент, к сожалению, показывает, что «социальное подкрепление» — реальная проблема в физике. Некоторые из крупнейших представителей научного сообщества подписались под тем, что, по сути, является аргументом «от популярности», а это явная логическая ошибка. Именно из-за таких аргументов люди не доверяют ученым [здесь Хоссенфельдер имеет в виду нарастающий в последние годы кризис доверия людей к научному сообществу на Западе].

Два слова в защиту инфляции

В любом случае с философией [здесь Хоссенфельдер имеет в виду философию науки] покончено, теперь давайте поговорим о науке. Я только что рассказала вам, почему сторонники Стейнхардта правы. Теперь позвольте мне рассказать вам, почему они в то же время ошибаются.

Тот факт, что есть много физиков, которые скомпоновали сложные модели инфляции [с самыми разными предсказаниями], — это верно, но не важно. Конечно, это означает, что происходит колоссальная трата времени и денег [поскольку большинство из этих моделей противоречат друг другу и поэтому явно неверны]. Но если говорить о науке, то следует спросить, существует ли в принципе какая-то простая модель инфляции, из которой вы получите больше информации, чем в нее заложите. И ответ на него: да. Нужно только посмотреть на правильные модели и правильные данные.

Наиболее впечатляющие данные, которые объясняют простые инфляционные модели, это интересная корреляция в космическом микроволновом фоне между температурой и модами E, называемая в научном жаргоне ET-корреляцией. Неважно, если вы не знаете, о чем речь. Главное, что это наблюдавшееся астрономами явление, и это действительно нетривиальная корреляция в данных, которую можно вычислить из кучи простых инфляционных моделей. Эти модели хорошо объясняют наблюдения.

Пример такой простой модели, которая согласуется со всеми текущими данными, — инфляция Старобинского. На этом рисунке вы видите, что ее данные находится прямо посередине области значений, не противоречащих ряду физических экспериментов. Но и некоторые другие простые модели тоже хороши.

То, что существует множество других моделей, которые не работают, не имеет значения. Конечно, если только вы не один из тех 9 тысяч ученых, что опубликовали работы на эту тему.

Итак, подведем итог. Алан Гут прав, когда говорит, что инфляция — хорошая научная гипотеза. Но он не прав в том, что касается причин, по которым это так. Стейнхардт прав, указывая на то, что аргументы Гута не выдерживают критики. Но его вывод неверен, потому что есть и другие причины, по которым инфляция является качественной гипотезой.

Однако это не означает, что теория инфляции верна. Физики предложили множество других теорий ранней Вселенной, например циклическую космологию [по которой Вселенная то расширяется, то сжимается], и они тоже могут объяснить наблюдения. И, возможно, в конце концов одна из таких теорий окажется лучшим объяснением.