Заглянуть за начало времён

Физик-теоретик из Института гравитационной физики и геометрии университета Пенсильвании (США) Мартин Боджовальд смог заглянуть за точку большого взрыва, то есть за момент образования нашей Вселенной. Как передает университетская служба новостей, «можно сказать, что ученый изобрел машину времени. Конечно, не материальную, а математическую». С помощью довольно простых формул он смог посмотреть на другую Вселенную – ту, что, согласно нескольким теориям, предшествовала нашей.

К таким теориям относится учение о петлевой квантовой космологии (ПКК), в основе которого лежит понятие петлевой квантовой гравитации – фундамента исследований Боджовальда.

Теория ПКК была сформулирована еще в 80-е годы прошлого века в этом же университете и стала альтернативой классической идее возникновения нашей Вселенной в результате большого взрыва, который, по словам авторов теории ПКК, служит немалым препятствием в понимании происхождения окружающего нас мира. Согласно ПКК, в которой общая теория относительности Эйнштейна объединена с уравнениями квантовой физики, пространство и время состоят из дискретных частей. Квантовые ячейки пространства соединены друг с другом так, что в малом масштабе времени и длины создают дискретную структуру пространства, а в большем масштабе переходят в непрерывное пространство-время.

В 2006 году группа физиков из Университета Пенсильвании под руководством профессора Аштекара, одного из создателей теории петлевой квантовой космологии, обнародовала результаты математического моделирования, приблизившие ученых к описанию момента большого взрыва и свойств правселенной. Правда, модель не давала точных результатов в определении этих свойств.

Мартин Боджовальд продолжил исследования в этом направлении и предложил решаемую и более простую математическую модель. Полученные результаты опубликованы в номере электронной версии Nature Physics от 1 июля 2007 года, в печатном виде статья выйдет в августовском выпуске одноименного журнала.

Чтобы подробнее узнать о сути работы, «Газета.Ru» напрямую обратилась к Мартину Боджовальду за разъяснениями.

– Я предложил новую, точно разрешимую модель, которая описывает переход Вселенной через большой взрыв, – пояснил Боджовальд «Газете.Ru». – Основной результат – это ряд математических функций, которые описывают поведение Вселенной до и после взрыва. До него Вселенная сжималась, пока не достигла наименьшего размера в момент так называемого отскока, а затем начала расширятся. Такое ее поведение было известно из существующих моделей. К тому же у меня появилась возможность принять во внимание более детальные свойства квантовой гравитации, связанные с колебаниями в многократных изменениях размера Вселенной. Такие параметры важны, чтобы понять, была ли Вселенная до большого взрыва похожа на ту, в которой живем мы. Или она отличалась и имела свойства, которые можно описать с помощью квантовой, но не классической физики. Для примера: если она была квантована, ее свойства должны были быстро меняться во время квантового скачка. То, к чему я пришел, используя эту модель, подразумевает, что мы не можем определить, были ли такие квантовые скачки перед большим взрывом или нет.

Таким образом, квантовое состояние правселенной до большого взрыва, возможно, очень отличалось от состояния нашей, но мы не сможем обнаружить эти различия – возникает «эффект забывания».

– А вы работали на основе теории петлевой квантовой гравитации?

– Петлевая квантовая гравитация использует специальные методы для объединения общей относительности с квантовой гравитацией.

Один из главных результатов этого объединения – условие, что пространство и время не непрерывны и, что более вероятно, формируют решетчатую структуру.

Поэтому пространство и время могут изменяться наименьшими приращениями, а не произвольно. В своей модели я применил математический аппарат, описывающий решетчатую Вселенную. Это позволило мне решать уравнения размера Вселенной и квантовых колебаний как функций времени. Решения содержат все свободные параметры, которые имеет система. Связывая определяющие свойства перед большим взрывом со свойствами после него, я могу видеть, какую информацию можно получить о родительской Вселенной до момента взрыва.

– Как вы считаете, что же все-таки было до большого взрыва?

– Определенно, это было другое состояние Вселенной. В отличие от нашей она не расширялась, а сжималась из большего объема. Чтобы узнать её точные свойства, необходимо усовершенствовать существующие модели. Но независимо от модели есть такие характеристики, а именно, уже упомянутые квантовые колебания, которые мы никак не сможем определить по текущему состоянию Вселенной. Поэтому Вселенная перед большим взрывом могла весьма отличаться от нашей.

– А какой промежуток времени до большого взрыва можно описать?

– Величины, которые относятся к периоду, очень близкому к моменту большого взрыва, мы не можем просчитать. Поэтому любое свойство Вселенной до взрыва, которое требует точного знания таких величин, не может быть рассчитано в принципе. Те же величины, которые мы можем знать в настоящем, могут быть вычислены и в далеком прошлом.

– Был ли это действительно большой взрыв или какой-либо другой переход материи из предшествующей Вселенной?

– Понятие «большой взрыв» обычно относят к горячей стадии существования Вселенной, когда она была мала и только начался процесс образования ядер и атомов. Этот процесс в нашей теории остается частью картины. Точкой перехода обычно называют момент «отскока», когда сжимающаяся Вселенная начала расширяться.

– Какие исследования лежат в основе вашей работы?

– Данное исследование в области петлевой квантовой гравитации я начал в 2001 году. Кроме меня в этом направлении работают доктора Аштекар, Павловский и Сингх, чьи численные вычисления я согласовал со своей моделью. Существуют и другие модели «большого отскока», которые базируются на дополнительных допущениях о моменте «отскока», но в них нет конкретного смысла. Это, например, циклическая модель Стейнхардта – Турока.

– Нужны ли дополнительные или новые исследования в данной области?

– Модель должна стать более реалистичной, и я над этим сейчас работаю. Эта работа позволит определять влияние, которое оказала прошлая Вселенная на нашу. Можно будет проверить предположения с помощью наблюдений, при этом непрямых, так как вовлечены огромные промежутки времени. Другое направление исследований относится к вопросу, каково влияние петлевой квантовой гравитации на нашу Вселенную после большого взрыва. Необходимо внести исправления в уравнения, в настоящее время используемые в космологии, которые могут быть проверены с помощью изучения космического микроволнового фона. Таким образом можно проверить некоторые свойства петлевой квантовой гравитации и узнать, подтверждаются ли допущения, используемые в модели «отскока». Эти исследования уже выполняются учеными Университета Пенсильвании, а также некоторыми исследователями в других научных заведениях.

– Чтобы подтвердить полученные результаты на практике, можно ли использовать новейшее поколение телескопов, разрабатываемое ведущими космическими агентствами?

– В данное время уже разрабатываются подходящие космические телескопы, способные к исследованиям космического микроволнового фона. Следующий новый аппарат такого типа – «Планк», который будет запущен Европейским космическим агентством (запуск запланирован на июль 2008 года – «Газета.Ru»).

– Могли бы вы рассказать, много ли сторонников у теории петлевой квантовой космологии?

– Да, петлевая квантовая космология имеет много сторонников. В эту область науки неоценимый вклад сделали такие ученые, как Эд Копленд, Джордж Эллис, Джим Лидси, Рой Мартенс и Реза Таваколь. Но имеются и скептики, хотя их критика направлена скорее на теорию петлевой квантовой гравитации, а не космологию в целом. Другие критики ссылаются на нехватку надежных уравнений, которые бы описывали эволюцию космологических структур, например тех, из которых образовались галактики. Но такие уравнения скоро будут выведены, что позволит более детально сравнить нашу теорию с другими и ответить на критические замечания в ее адрес.

Действительно, в теоретической физике есть много современников Мартина Боджовальда, развивающих другие теории возникновения и устройства вселенной, скептически настроенных по отношению к петлевой квантовой космологии. Корреспондент «Газеты.Ru» поговорил с одним из них – доктором Любошом Мотлом, физиком-теоретиком из Гарвардского университета.

– Я в курсе, что американские средства массовой информации, такие как New Scientist, USA Today или Scientific American, уже растиражировали на этой неделе информацию о «революционной работе» в области петлевой квантовой космологии, – отметил Мотл.

– Но она не выдерживает никакой критики и является худшей практически из всех, которые я прочел в этой области.

Автор анализирует несерьезную модель, не использует какие-либо значимые параметры и делает вывод, что «допущения или предположения всегда необходимы». Это полнейшая чушь. Если он не имеет возможности ответить на некоторые вопросы, используя примитивную модель, это не значит, что другие ученые испытывают подобные неудобства. Единственное, что можно отметить в данной работе, – отсутствие воображения и представления о текущем описании существующего мира, находящегося за пределами области, в которой работает автор.

Боджовальд сконструировал некоторую модель, в которой Вселенная имеет одну степень свободы, применив дискретное время и правила случайного выбора. Далее он анализирует стабильность и зависимость от начальных условий, хотя это весьма понятно даже в полуреалистичных моделях нашей вселенной, где имеются все необходимые степени свободы.

– А какой модели эволюции Вселенной придерживаетесь вы?

– Мои исследования относятся к теории струн, но это не модель эволюции, а раздел науки, в котором физика частиц объединена с гравитацией. Что касается эволюции Вселенной, то я придерживаюсь большого взрыва – стандартной модели в космологии, которая уже довольно хорошо развита. То есть Вселенная начала эволюционировать с маленького объема, пошел процесс расширения и так далее – это классическое описание. Но до этого, вероятно, был период инфляции или эквивалентное ей состояние. Инфляция объясняет множество вопросов во Вселенной, но ее существование пока не доказано (здесь доктор Мотл не совсем прав – «Газета.Ru»). Я полагаю, что вероятность того, что инфляция все-таки была, составляет около 90%. Понятие инфляции может быть согласовано с теорией струн, но это не главное ее достоинство.

Конечно, любой может спросить: что же было до периода инфляции? Я лично думаю, что нет причин для поиска ответа на этот вопрос.

Вселенная начала расти с нулевого размера и может быть описана волновой функцией Хартля – Хокинга или другим ее эквивалентом. Некоторые кардинально противятся и утверждают, что очень важно учитывать постоянную инфляцию и явления, имеющие начало в родительских вселенных, и что необходимо изучить генеалогическое дерево всех этих вселенных, чтобы получше узнать собственную. Другие же ученые придерживаются теории о циклической Вселенной, но я не вижу хорошей доказательной базы. Нет веских причин им верить.

«Газета.Ru» обратилась за комментарием к Алексею Топоренскому, к. ф.-м. н., научному сотруднику Государственного астрономического института имени П. К. Штернберга МГУ.

– В общем хорошо, что есть альтернатива теории струн, – считает Топоренский. – Собственно говоря, это главное.

Но, так как эта конструкция не выходит за рамки чистой теории (пока нет возможности для какой-либо экспериментальной проверки, как и со струнами), объяснять что-либо с помощью неё пока рано.

Она действительно должна стать более реалистичной.