Вячеслав Муханов — один из самых известных ученых, изучающих Вселенную. Два года назад он стал лауреатом Tomalla Prize. Это еще не Нобелевская премия, но уже близко. Последние пятнадцать лет он работает в Мюнхенском университете имени Людвига — Максимилиана, где с ним и встретился наш корреспондент.
В главное здание университета можно зайти совершенно свободно. Здесь нет никаких вахтеров. Вообще здесь все открыто — иди, куда хочешь. И это притом что университет вполне может считаться исторической реликвией: герцог Людвиг IX основал его еще в 1472 году.
— Вообще-то университет огромный, здесь учатся 55 тысяч человек. — Космолог Вячеслав Муханов разрывается между моими вопросами и просьбами фотографа принять ту или другую величественную позу.
Вы чувствуете себя здесь дома?
Ну, в какой-то степени я всегда останусь чужаком. Если хочешь, чтобы тебя за своего считали, нужно говорить без акцента, нужно вырасти здесь, чтоб усвоить какой-то общепонятный местным контекст — как простенькие вопросы в программе «Кто хочет стать миллионером?», на которые наш человек ответит не задумываясь, а иностранец — нет.
Вам нравится Мюнхен?
Мюнхен — город как раз подходящего размера: не слишком большой и не слишком маленький. Здесь хорошая кухня, готовят просто и со вкусом. Ведь слишком изощренные вещи приедаются. Конечно, идеальных мест нет: лучший в мире кофе готовят в Италии, но там не найти хорошего круассана, а французам никогда не сделать такой кофе — в общем, нет места на Земле, где можно получить хороший круассан с хорошим кофе.
Но я часто путешествую. Хорошо быть профессором: раз в неделю я читаю лекцию, один семестр — три месяца, второй семестр — три месяца, а остальное время свободен.
А как же раздумья об устройстве Вселенной?
В теоретической физике нечасто попадаются хорошие задачи, которые в принципе решаются. Даже художнику легче — нашел свой стиль и рисуй. А здесь ты как золотоискатель: нашел один раз что-то, а потом десять лет ничего не встречается. Ну, статьи-то всегда какие-то научные можно кропать, но это неинтересно.
Где находится край мира
Мы сидим в кабинете среди стеллажей с книгами по астрофизике, рядом доска, сплошь исписанная красивыми непонятными формулами. Вячеслав Муханов курит сигарету за сигаретой, то и дело вскакивает из-за стола и хватает мел, чтобы нарисовать «квантовые флуктуации», «горизонт событий» и другие зубодробительные понятия. Многие вещи ему приходится повторять по нескольку раз — у меня в голове никак не складывается космологический пазл.
— В этой комнате может в каждый момент времени рождаться новая Вселенная. — Муханов обводит взглядом комнату, словно проверяя, сколько новых Вселенных родилось, пока мы говорили. — Если расширение подхвачено темной энергией, то маленькая Вселенная, которая образовалась в результате квантовой флуктуации, может стать совершенно огромной. Просто мы ее не видим, потому что дверка, которая нас с ней связывает, имеет колоссально маленькие масштабы.
Подождите, не так быстро! Вы — один из творцов современной картины Вселенной, то есть знаете о ней чуть ли не больше всех. Вот я и хочу, чтобы вы по порядку рассказали, на что похожа Вселенная как целое, как она выглядит «сверху»?
Вообще-то космология началась лет сто назад, когда установили, что некоторые размазанные пятнышки на фотографиях звездного неба — это отдельные галактики. В 20-х годах Фридман написал две статьи по поводу того, что Вселенная может расширяться, оценил ее возраст — сейчас он известен точно: 13,7 миллиарда лет — и общую массу.
Все эти звезды, которые мы видим на небе, принадлежат нашей Галактике, всего их в ней около 100 миллиардов. Если из одного конца галактики послать свет, он дойдет до другого конца примерно за 100 тысяч лет. А между двумя галактиками свет в среднем летит 3 миллиона лет. Галактик в нашей Вселенной тоже 100 миллиардов — видите, все очень просто.
А откуда мы знаем, что галактик 100 миллиардов, — мы что, видим всю Вселенную?
Мы видим ближайшие галактики, можем измерить между ними расстояние и можем оценить, сколько галактик приходится на какой-то заданный объем. И мы видим самые яркие объекты, близкие к краю Вселенной.
Это вроде края земли?
Речь идет о крае видимой Вселенной, который находится на расстоянии в 13,7 миллиарда световых лет. Сигнал распространяется максимум со скоростью света. Максимальное расстояние, которое мы можем сегодня увидеть, — это скорость света умножить на время существования Вселенной. С каждым годом к нам приходит свет из все более отдаленных областей, и мы можем видеть чуть больше. Проживем вот еще несколько миллиардов лет — увидим еще кучу галактик.
Шарик или лист?
Если представить Вселенную как поверхность воздушного шарика, который кто-то когда-то начал надувать, — мы ведь должны увидеть ее всю, ведь ее площадь конечна, а раздувается она медленнее скорости света…
Нет, Вселенная, скорее всего, однородна и бесконечна, и чтобы увидеть ее всю, вам нужно бесконечное количество времени. Вы лучше вместо шарика представьте бесконечную резиновую плоскость, которая все время растягивается, расстояние между любыми двумя точками на ней увеличивается. Она была бесконечной и в самом начале, но тогда расстояние между разными точками было намного-намного меньше, была гораздо больше плотность энергии и невероятная температура.
А почему мы думаем, что Вселенная бесконечна?
Это уже спекуляция, некая аппроксимация того, что мы знаем сегодня, наиболее естественная гипотеза. «Большая Вселенная», скорей всего, бесконечна и существует бесконечно долго. Если бы мы прожили миллиарды миллиардов лет, мы увидели бы гораздо больший кусок Вселенной, который по строению может сильно отличаться от нашего куска.
Ученые мужи вроде пишут, что в начале времен была сингулярность и весь «резиновый лист» был одной точкой, космическим яйцом и все такое.
Про сингулярность лучше уже не говорить, это понятие устарело. Представьте себе, что все 100 миллиардов галактик вначале помещались в пространстве размером со спичечный коробок. Но это условный коробок, он не был отделен от остального мира, вокруг было все то же бесконечное пространство, в каждом спичечном коробке которого была энергия, достаточная для того, чтобы породить 100 миллиардов галактик. И вся эта бесконечность расширяется, а может, внутри нее все время рождаются новые и новые «шарики» — локальные Вселенные, подобные нашей.
Стоп-стоп, мы ведь уже договорились, что Вселенная была бесконечна с самого начала.
Это ведь область спекуляций. Может быть, она была бесконечна, а может быть, был маленький шарик, который образовался случайно и растянулся до огромных масштабов. Что мы можем сказать точно — так это то, что в результате доминирования темной энергии произошло стремительное раздувание универсума, инфляция, и образовалась та Вселенная, которую мы видим сегодня.
Когда началась инфляция?
Это было очень рано, через ничтожную долю секунды после рождения Вселенной. Инфляция была обусловлена темной энергией, которая потом распалась и образовала обычные частицы: кварки, фотоны, нейтрино — все-все, что мы знаем. Плотность распределения этих частиц была разной, и из-за этого они под действием гравитации стали объединяться в более крупные структуры.
Наблюдения и предсказания
— Я профессор, у меня кафедра — третья часть этажа тут для меня и моих сотрудников, — рассказывает Муханов. — Раньше во всем университете был один профессор теоретической физики, теперь — семь. Потому что деньги стали давать, после того как атомную, а потом водородную бомбу сделали. Теперь дают по инерции: вдруг еще чего-нибудь такое сделаем. Космологией ведь долго никто серьезно не занимался, к ней переходили люди, которые уже сделали что-то полезное. В России — Зельдович, Сахаров, Гинзбург, то есть создатели атомной и термоядерной бомб. Они знали кучу всяких вещей, которых нормальные физики не знали, потому что они были засекречены.
Но как связаны бомба и космология?
Например, было известно, что в наблюдаемой Вселенной 25% гелия. Но откуда он берется? Только в результате термоядерных реакций. Термоядерные реакции происходят в звездах, но, чтобы получить такую цифру, нужно, чтобы звезды светили в сто раз сильнее, чем сейчас, чтобы небо было в сто раз ярче. Поэтому пришли к выводу, что это вещество образовалось вскоре после рождения Вселенной, и она должна была быть очень горячей. Все наиболее интересное в истории Вселенной происходило в первые минуты и доли секунды.
Давайте снова вернемся к рождению Вселенной. Что мы знаем о том, с чего все началось?
Здесь есть две возможности. Одна возможность такая, что у вас из ничего образовался маленький шарик с массой 105 степени грамма, а в результате инфляции из темной энергии народилось вещества 1055 грамма, на 100 миллиардов галактик. Вторая возможность — может быть, уже до этого момента была какая-то бесконечная Вселенная, а в этой бесконечной Вселенной какой-то кусочек был подхвачен инфляцией и образовал то, что мы видим сегодня.
Значит, сейчас мы можем видеть, что произошло в нашем куске Вселенной за последние 13,7 миллиарда лет?
Вселенная стала оптически прозрачной только через 100 тысяч лет после своего рождения. До этого она была слишком плотной, и весь свет поглощался веществом, его частицы, фотоны, рассеивались среди протонов, нейтронов, электронов. До этого пространство заполняли свободные электрически заряженные частицы, а тут они образовали нейтральные атомы водорода. Через них свет проходит гораздо легче, и вот в этот момент Вселенная становится прозрачной.
И что же мы можем наблюдать во Вселенной возрастом в 100 тысяч лет?
Мы можем видеть, как было распределено вещество. И можем видеть это с помощью реликтового излучения. Оно было открыто в 1964 году совершенно случайно. Сейчас температура этого излучения всего три градуса, а раньше, через 100 тысяч лет после рождения Вселенной, она была три тысячи градусов. Еще раньше, через три минуты после рождения, во Вселенной как бы взорвалась куча термоядерных бомб, в результате чего образовался гелий. Знаете, в термоядерной бомбе энергия выделяется, когда протоны и нейтроны образуют гелий. Так вот, вещество во Вселенной на 75% состоит из водорода, на 25% — из гелия, остальные элементы представлены в совершенно ничтожных количествах.
А как мы узнаем про то, что было со Вселенной до этого?
Непосредственно ничего увидеть нельзя. Выдвигаются гипотезы, на их основании делаются предсказания. Проверяя эти предсказания, мы подтверждаем или опровергаем гипотезы. Одно из предсказаний инфляционной теории — о том, что плотность вещества во Вселенной такова, что геометрия пространства является плоской. В течение долгого времени это предсказание противоречило наблюдениям, и только после открытия темной энергии все встало на свои места.
То есть вы чего-то такого ожидали?
Ожидать-то ожидали, но это противоречило тому, что видели, а факты — упрямая вещь. Когда в 80-х мы создавали теории о том, какой она была, то даже и не надеялись, что наши теории в принципе можно будет проверить. Но за последние 30 лет в космологии произошел колоссальный прорыв. Все началось с COBE — эксперимента Cosmic Background Explorer, за который Смут получил в 2006 году Нобелевскую премию. Исследуя реликтовое излучение, они обнаружили, что Вселенная в возрасте 100 тысяч лет была не такой уж однородной — температура в разных местах варьировала на одну тысячную процента.
Тогда ничего не было, ни галактик, ни звезд. Это была смесь газов — водорода и гелия. Но их плотность в одном месте была не в точности такая же, как в другом, были вариации в одну тысячную процента. Ничтожные, но по мере расширения Вселенной неоднородности усиливались, и благодаря им образовались звезды, галактики и все остальные структуры.
От квантов к галактикам.
Но почему возникли эти маленькие неоднородности?
Для меня это как раз самый основной, принципиальный вопрос, которым я занимался. Это мой главный научный результат, который я получил, будучи еще студентом.
За него вы и премию получили?
Tomalla? Да. Так вот, откуда эти неоднородности образовались? Мы предположили, что в зарождающейся Вселенной в первые доли секунды после Большого взрыва тоже была темная энергия. Это другая темная энергия, она с сегодняшней напрямую не связана, но она тоже отвечала за ускоренное расширение Вселенной. Во время этого ускорения неоднородности образовывались из квантовых флуктуаций.
Слышали когда-нибудь про принцип неопределенности Гейзенберга? Он, кстати, учился здесь. Если вы возьмете мельчайший кусочек материи, вам не удастся его зафиксировать, локализовать, он как бы будет дрожать — это так называемая квантовая неопределенность. Это дрожание каждого кусочка материи приводит к тому, что у вас появляются маленькие-маленькие неоднородности, так называемые вакуумные колебания, вакуумные флуктуации, квантовые флуктуации.
Ну, это если я его буду брать. А сам по себе он тоже будет дрожать?
Будет сам по себе.
То есть вот этот вот электрон сам по себе — о нем нельзя сказать, что он находится в каком-то месте и движется с какой-то скоростью: он так не делает.
Да, это квантовые флуктуации, они связаны с тем, что электрон может проявлять себя и как частица, и как волна. Они существенны только в масштабах атома, но если совместить эту модель с моделью инфляции — ускоренного расширения молодой Вселенной и доминирования ранней темной энергии, — они как раз усиливаются настолько, чтобы образовать неоднородности в плотности вещества, благодаря которым потом появятся звезды и галактики. Такой вот скачок от событий в микромире к образованию галактик.
Темные начала
«Темная» — это значит «неизвестно какая»?
Да, темную энергию мы вводим как гипотетическую конструкцию, чтобы усилить эти флуктуации на 50 порядков величины. 50 порядков — немыслимо много. Эта темная энергия обладала свойством антигравитации. Когда Вселенная родилась, она состояла из темной энергии, и та сила, которая сейчас известна как гравитация, тогда действовала как антигравитация — это и называется стадией инфляции, ускоренного расширения.
Потом произошел фазовый переход — из темной энергии образовалось обычное вещество. Вещество обладает гравитацией, которая начинает замедлять расширение. Как на машине: вначале мы разгонялись, а потом нажимаем на тормоза. Но сейчас опять обнаружили темную энергию, которая снова начала доминировать, и сейчас расширение Вселенной опять начинает ускоряться. И за эту темную энергию, которая отвечает за сегодняшнее ускорение Вселенной, как раз только что дали Нобелевскую премию.
Добавим к этому еще темную материю — темную, потому что мы ее непосредственно не видим. Но мы можем измерить исходящую от нее гравитацию и на этом основании сказать, что она тоже входит в галактики и скапливается там.
И где она находится, как распределена?
Она тоже неравномерно распределена. Ну, вокруг Земли, скажем, ее побольше скапливается, из-за того что у Земли есть гравитационное поле. А субстанция, которая называется темной энергией, — это некий конденсат, который равномерно распределен по Вселенной и нигде не скапливается. Плотность этой темной энергии в нашей комнате очень низкая, такая, как если бы я один протон поместил в 1 кубический метр. Она пронизывает всю Вселенную, но из-за низкой плотности ее влияние существенно только для больших масштабов.
Что еще можно сказать о темной материи?
Ее в пять раз больше, чем той материи, которую мы знаем. Она сконцентрирована в галактиках, образует короны вокруг галактик и их скоплений.
А если мы взвешиваем Землю или Солнце, то сколько эта темная материя вносит в их массу?
Очень немного. Внутри Земли плотность обычных частиц гораздо больше, чем плотность этой темной материи. Частицы темной материи не образуют такие сгустки, как частицы обычной материи, потому что не участвуют в электромагнитных взаимодействиях.
Что известно о частицах, из которых состоит темное вещество?
Они, судя по всему, довольно тяжелые, как минимум в тысячу раз тяжелее протона. Есть куча экспериментов, в которых пытаются найти эти частицы, непосредственно увидеть.
Там только один вид частиц или, может быть, разные?
Неизвестно. Естественно, самое простое — предположить, что это один вид частиц. Но природа не всегда следует принципу простоты.
Может, там целый мир со своими структурами и темными человечками?
Нет, без электромагнитных взаимодействий сложных структур не образовать.
Если мы когда-нибудь технически овладеем этой темной энергией, у нас будет антигравитация?
Ну, ее очень мало вокруг. Мы ведь и гравитацию чувствуем только от гигантских объектов типа Земли. А плотность распределения темной энергии еще гораздо меньше, чем плотность вещества, так что мы не сумеем ее накопить в достаточном количестве.
Почему мы говорим, что сейчас темная энергия одна? Может, их сейчас много разных, с чего мы решили, что она едина?
Нет, может быть, их и много, таких энергий, — мы этого не знаем. Единственное, что об этом известно, — то, что есть энергия, которая отвечает за антигравитацию и за то, что Вселенная в целом опять начинает ускоренно расширяться.
Резиновый мир
Первая темная энергия превратилась в обычные частицы, но откуда тогда сейчас взялась новая темная энергия?
Она все время была, скорее всего, просто, пока Вселенная не расширилась до нынешних масштабов, ее плотность была гораздо меньше, чем плотность этих частиц, поэтому ее антигравитационное воздействие было незначительным. У темной энергии есть потрясающее свойство: когда она расширяется, плотность ее не меняется. И она стала доминировать, потому что плотность обычного вещества просто упала.
Может, нынешняя темная энергия — это остатки старой темной энергии. Может быть, там было два сорта темной энергии: одна — которая распалась на частицы, а другая, которой было гораздо меньше, дожила до сегодняшнего момента.
И даже этот небольшой остаток темной энергии составляет большую часть энергии Вселенной сейчас?
Да. Но в нашей комнате, как я говорил, ее очень мало, потому что она однородно распределена. Вещество собрано в звезды и планеты, а она размазана по всему пространству, и в сумме ее получается раз в двадцать больше, чем вещества, потому что звезды и планеты в масштабах Вселенной — это просто маленькие точки в пустоте.
А давно Вселенная опять стала ускоряться?
Когда среднее расстояние между галактиками было приблизительно раза в два поменьше, чем сейчас.
Резина растягивается равномерно. А Вселенная — она разве равномерно растягивается? Ведь между нами расстояние не увеличивается.
Между нами расстояние не увеличивается, потому что между галактиками, которые далеко находятся, действует только гравитационная сила. А здесь, в этой комнате, действуют еще другие силы, например электромагнитная, и она гораздо больше, чем гравитационная. И наша Галактика тоже не расширяется, потому что тут скопилось столько вещества, что гравитационная сила удерживает ее от расширения. Даже целое скопление галактик может образовывать гравитационно связанный объект и не расширяться. Лишь далекие галактики убегают друг от друга.
В каком-то фильме я видел, что скопления галактик тоже связаны и образуют структуру, подобную сотам…
Правильно, они образуют паутинную структуру. Крупные скопления связаны так называемыми филаментами, то есть на линиях между ними тоже много галактик расположено. Между этими линиями-филаментами есть так называемые стенки, где тоже повышенная плотность галактик. А между стенками пустота. И все это образовалось благодаря ничтожным первичным неоднородностям в распределении вещества.
Что мы можем сказать о будущем? Вроде бы раньше были две теории: одна говорила, что мир снова начнет сжиматься, а другая предсказывала вечное разбегание.
То, что Вселенная не начнет сжиматься, — это почти точно, хотя 100% гарантии нет. Если темная энергия не распадется, то далекие галактики исчезнут из нашего поля зрения, потому что у ускоренного расширения есть такое свойство: после того как расстояние между двумя галактиками станет слишком большим, пространство уносит галактику быстрее, чем движется свет. Это как в черной дыре — свет не может убежать из черной дыры и падает в нее вместе с пространством, как лодка с гребцом, который плывет против течения, но скорость течения выше, чем скорость гребца.
Вселенная с темной энергией — она как черная дыра, вывернутая наоборот. После того как галактика ушла на какое-то расстояние, она так сильно начинает бежать от нашей галактики, что свет, который она испускает, до нас добраться уже не сможет. Поэтому, если в будущем эта темная энергия будет доминировать, на небе останутся только звезды, а другие галактики убегут, уйдут за горизонт событий, как принято говорить в космологии. А если темная энергия нестабильная, то она может распасться на обычные частицы, и Вселенная опять перестанет ускоренно расширяться.
Возвращение на Землю
Выходим из отделения теоретической физики, обходим велосипеды перед входом — тысячи их. Германия — рай для велосипедистов, они выглядят не смертниками в потоке машин, а полноправными хозяевами города. Автомобилисты покорно ждут, пока велосипедисты с пешеходами уступят им дорогу.
Мы прохаживаемся между университетских зданий, разбросанных по одному из старых районов Мюнхена вперемешку с картинными галереями — концентрация культуры здесь просто запредельная.
— В этом районе всегда жили артисты и художники, богема. Вон в том квартале живут Плисецкая и Щедрин. Вот улица, где жил Кандинский. В музее неподалеку отсюда крупнейшее в мире собрание его работ. А вон музей современного искусства, там один из экспонатов — компьютер «Эппл 1», хотя, по-моему, у первых моделей «Эпплов» на редкость бездарный дизайн.
В районе много исторических мест, связанных с нацизмом, но о них здесь говорить не любят, чаще вспоминают, что в университете состоялось чуть ли не единственное в Германии гражданское выступление против нацизма за все время правления Гитлера: в 1943 году студенты из антигитлеровской организации «Белые розы» разбросали листовки. Их сцапали по доносу дворника и отправили на гильотину. По дороге мы посещаем посвященную им экспозицию в одном из помещений университета — на старых фотографиях симпатичные ребята, благородные лица…
Ой, вы же нам не показали свою лабораторию…
Какая лаборатория, я теоретик! Все, что у меня есть, — это ручка, бумага и студенты.
На каком языке лекции читаете?
В прошлом семестре я на немецком читал механику для 350 студентов, в этом буду читать общую теорию относительности на английском.
Они что, все станут физиками?
Куча народа после нашего факультета работает в банках, в финансовой сфере — кстати, многие русские физтехи, осевшие в Америке и не нашедшие себя в физике, ушли на Уолл-стрит.
А от космологии стоит ждать каких-то практических результатов? Допустим, любители фантастики ждут не дождутся гиперпространственных тоннелей, чтобы путешествовать к звездам.
Это, скорее всего, останется фантастикой, в реальности ничего такого нет и, наверное, не может быть в принципе. Некоторые современные теории — это слишком буйная игра фантазии, теоретические спекуляции. Ничего плохого в этих спекуляциях нет, это просто игра ума людей, которые очень хорошо знают физику. Впрочем, наши работы тоже в свое время были спекуляцией, когда мы их писали, мы и предположить не могли, что все это найдут и измерят.
Источник: expert.ru
