Академик РАН Алексей Старобинский — о том, почему во Вселенной так много порядка, а на Земле так мало

Почему во Вселенной так много порядка, а на Земле так мало? Что является источником темной энергии? Какие у нас есть общие темы для разговора с представителями иных миров? Об этом мы говорили с лучшим мировым специалистом по космологии академиком РАН Алексеем Старобинским.

Беседовала Елена Кудрявцева

«Огонек» в рамках совместного медиапроекта со Сколковским институтом науки и технологий продолжает публикацию цикла интервью с ведущими отечественными физиками. В № 37 за 2018 год была опубликована беседа с Владимиром Захаровым; в № 39 за 2018 год — с Ильдаром Габитовым; в № 45 за 2018 год — с Валерием Рубаковым; в № 2 за 2019 год — с Альбертом Насибулиным.

— Алексей Александрович, складывается ощущение, что к космологии, которая занимается происхождением и устройством Вселенной, сегодня приковано внимание во всем мире: открытий в этой области, во всяком случае, очень много. С чем это связано?

— Действительно, это популярная тема во всех странах, включая Россию, и дело, полагаю, в том, что современной науке удалось добиться тесной связи между теорией и экспериментом в этой области знания. Иначе говоря, в XX веке было разработано много гипотез того, как именно развивалась наша Вселенная, а теперь их можно подтвердить или опровергнуть с помощью экспериментов. Это и порождает настоящий бум исследований. Институты, которые занимаются космологией, создаются не только в таких странах, как США, Германия и Япония, но и в тех, которые не ассоциируются с передовой наукой. Например, Институт по изучению Вселенной несколько лет назад создан в Таиланде, последний у нас воспринимается как туристическая страна. Молодежь очень интересуется новой астрономической тематикой, думаю, потому что именно эта наука раскрывает горизонты и показывает, что помимо обыденной жизни есть мир, который не вмещается не только в границы стран, но даже в масштабы Земли. Наша Вселенная — более многомерный и непостижимый объект.

— А в каких областях космологии молодежь наиболее активна?

— В основном в тех, что называют Вig data, где речь о больших массивах данных. Скажем, изучая раннюю Вселенную, мы получаем колоссальное количество данных наблюдений. Если работать с ними старыми методами, для обработки не хватит всего населения Земли! Вот молодые ученые и придумывают, как из этого массива извлечь полезную информацию и сравнить данные эксперимента с многочисленными теоретическими предсказаниями.

— Как подтверждают сегодня теории? Какие эксперименты дают физикам больше всего информации?

— Здесь можно говорить о трех типах экспериментов. Во-первых, наземные эксперименты с элементарными частицами. Их проводят на огромных установках вроде коллайдера в ЦЕРНе, где был открыт бозон Хиггса. Или другие наземные установки по детектированию частиц из космоса, скажем, нейтринная обсерватория IceCube на антарктической станции «Амундсен — Скотт».

Во-вторых, это всякого рода научные инструменты в космосе. Самые выдающиеся открытия сделаны космическим радиотелескопом «Планк»: этот уникальный прибор измерял характеристики реликтового излучения — микроволнового фона, сохранившегося с самых ранних этапов жизни Вселенной. Именно телескоп «Планк» уточнил, что наш мир состоит на 4,9 процента из обычного вещества, на 26,8 — из темной материи и на 68,3 процента — из темной энергии.

— Космологи утверждают, что мы живем в эпоху доминирования темной энергии. А можно сказать, что она собой представляет?

— Это нечто бесформенное, совершенно однородное и почти не меняющееся со временем. Но суть в том, что мы не можем больше утверждать, что все в мире состоит из частиц, на их долю приходится лишь 30 процентов. Таким образом, в знаменитом споре Платона с Демокритом (речь шла о мироустройстве.— «О») правы были оба. Платон, напомню, представлял мир как некую неделимую первоматерию. А Демокрит утверждал, что он состоит из частиц.

— Каков третий тип эксперимента?

— Это эксперименты, которые делаются благодаря астрономическим телескопам нового типа (их еще можно назвать гравитационно-волновыми антеннами). Именно благодаря им в науке недавно появилось и развивается с потрясающей скоростью новое направление — гравитационно-волновая астрономия. Она занимается самыми интересными вопросами: как формируются массивные черные дыры в центрах галактик, что есть темная энергия, каковы начальные физические условия ранней Вселенной...

— Это направление стартовало, когда были открыты гравитационные волны. Я правильно понимаю, что их обнаружение долгое время называли одной из главных проблем физики?

— Да, хотя они были предсказаны еще Эйнштейном почти век назад в рамках общей теории относительности. Кстати, до недавних пор это был единственный эффект этой теории, который не могли подтвердить экспериментом. За их открытие в 2017 году дали Нобелевскую премию.

По сути, гравитационные волны — это распространяющиеся колебания геометрической структуры пространства-времени. Долгое время их существование подтверждалось лишь косвенно: скажем, ученые видели, как замедляется скорость вращения пульсаров и вращающихся нейтронных звезд, и предполагали, что это происходит из-за потери энергии при излучении гравитационных волн.

В 2016-м научной коллаборации LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) впервые удалось «поймать» гравитационный сигнал, который возник из-за столкновения двух массивных черных дыр. По сути, это эхо космической катастрофы, произошедшей далеко от Земли миллиарды лет назад. Одновременно этот эксперимент подтвердил существование черных дыр как особой формы материи.

— Что было сделано в этой области с тех пор?

— На начало 2019-го коллаборация LIGO-VIRGO объявила о наблюдении в общей сложности сигналов от слияний 10 пар черных дыр и 1 пары нейтронных звезд. Вообще, поиском гравитационных волн занято сразу несколько крупных коллабораций — по всей Земле раскидана сеть детекторов. Детекторы LIGO находятся в США, VIRGO — в коммуне Кашина вблизи Пизы в Италии, KAGRA — в шахте Камиока в префектуре Гифу (Япония) — эта установка начнет участвовать в наблюдениях осенью этого года.

— А помимо самого факта обнаружения этих волн мы что-то о них узнали?

— Много всего интересного. Например, по Эйнштейну, скорость гравитационных волн должна равняться скорости света. Затем физики высказали большое количество более сложных гипотез, по которым скорость была иной. И теперь мы можем осторожно сказать, что на 99,99 процента подтвердилась эстетически более красивая теория Эйнштейна.

Удалось уточнить и ряд других интересных деталей. Так, мы ждали, что масса черных дыр сравнима с массой типичных больших звезд — около 10 масс Солнца. А оказалось, что речь идет о 30 массах Солнца. Для неспециалиста — это пустяк, но на деле это открытие совершенно выпадает из рамок современных представлений о Вселенной. Считалось, что такие большие звезды не могут существовать длительно.

— Есть ли у России шанс включиться в развитие гравитационно-волновой астрономии? Как убедить чиновников, что это нужно?

— Современная астрономия — крайне дорогая наука, но важно участвовать в ней по мере возможности. В России от науки требуют слишком быстрого выхода, хотя если мы сравним сегодняшние планы работ в этой области, составленные существенно большими коллективами на Западе, то увидим: они рассчитывают показать результаты в 2030–2050-е годы. Даже в наш век наука делается не так уж быстро.

Один пример. Недавно я проводил совещание среди российских ученых на тему мегапроектов в науке. Общий смысл подобных начинаний — дать толчок развитию первоклассной науки в условиях ограниченного базового ресурса. Но до сих пор обсуждаются, на мой взгляд, не принципиальные для науки установки. Мы же говорили о том, что в России нужно построить кольцевой гравитационный телескоп нового поколения. И у нас есть люди, которые могли бы это сделать, и есть ученые, которые могут работать в этой области на мировом уровне. В частности, это группы ученых на физическом факультете МГУ (группа недавно ушедшего академика Владимира Брагинского) и в Институте прикладной физики РАН являются членами международной коллаборации LIGO-VIRGO и непосредственно участвовали в открытии гравитационных волн.

— В своей нобелевской лекции Кип Торн, один из авторов открытия гравитационных волн, посвятил благодарственную речь академику Брагинскому. Жаль, что саму премию наши ученые не получили: ведь в основе многих современных открытий лежат теории российских ученых…

— Вообще-то, представление о том, что Нобелевские премии дают самым умным, неправильно. Это не так. Согласно желанию самого Нобеля, она дается либо за изобретение, нашедшее практическое применение, либо за теоретические работы, на основании которых потом было сделано что-то конкретное и принципиально важное для цивилизации. Два самых характерных примера, связанных с Нобелем и Нобелевской премией в этом отношении,— премия по физике, которую получил Вильгельм Рентген. Нельзя сказать, что открытие рентгеновских лучей перевернуло физику, но оно получило колоссальное применение. Ну а второй пример — это сам Нобель, который изобрел динамит.

В физике за первым открытием следует, как правило, череда других и в итоге это дает практические применения. Мы будем исследовать Вселенную дальше, искать источники гравитационных волн, развивать новые оптические, радио- и нейтринные телескопы. И это даст огромный толчок для развития цивилизации в целом.

Что было, когда ничего не было

— Вы один из авторов главной космологической теории современности — инфляционной теории, которая говорит о расширении Вселенной. Как вы пришли к этой идее и насколько сегодня она согласуется с новыми экспериментальными данными?

— Все фактически началось с моей дипломной работы 1971 года под руководством Якова Борисовича Зельдовича. Мы занимались квантовыми эффектами в разных полях и решили применить это к гравитации — тогда считалось, что такое невозможно.

— Почему говорят, что ваша работа стала началом новой космологии?

— Когда мы начинали, было понятно, что в прошлом наша Вселенная находилась, как мы говорим, в сингулярном состоянии, то есть кривизна пространства-времени была бесконечно большой. Только сейчас благодаря данным наблюдений мы можем сказать, насколько именно большой была эта кривизна. Мы сделали еще один шаг в прошлое, в новую историческую стадию, которая была до горячего Большого взрыва. Пока — это лучшая модель.

Ее можно вывести исходя из простого житейского наблюдения о том, что энтропия в мире растет. Действительно, если не прилагать усилия, то никакого порядка не будет. Но вот в масштабах Вселенной этот принцип не работает: в ней порядка как раз удивительно много. Отсюда у нас возникла гипотеза, что на самом деле нынешнему состоянию предшествовало другое, когда Вселенная была еще более упорядочена и максимально симметрична.

— Можно сказать, что было до Большого взрыва в физическом смысле?

— В каком-то смысле можно сказать, что беспорядка, энтропии было столь мало, сколь это возможно. Это была очень холодная и очень симметричная стадия. Во время нее Вселенная расширялась еще быстрее, чем на стадии так называемого Большого взрыва. Хотя это слово «взрыв» тут не очень уместно, оно все-таки полагает, что у вас разлетаются какие-то условные частицы, а никаких частиц там не было. Что у нас есть максимально симметричное с точки зрения геометрии? В трехмерном пространстве это сфера или гиперболоид — из его кусков построена Шуховская башня. В четырехмерном — так называемое де Ситтеровское пространство, поскольку его можно описать решением математика де Ситтера, которое он нашел еще в 1917 году.

— Почему же тогда произошло то, что называют Большим взрывом? Симметрия и упорядоченность разве не предполагают устойчивости?

— На самом деле нет. Даже в таком максимально упорядоченном состоянии, как вакуум, где нет никаких частиц, есть некоторые возмущения — квантовые флуктуации. Так что максимально упорядоченное состояние тоже распадается.

Инфляционная теория предполагает, что именно из этих изначальных неоднородностей, из квантовых флуктуаций, возникли галактики, звезды, планеты, в конечном счете мы сами. С точки зрения нашей космологической теории мы сами — это неоднородности на фоне Вселенной с характерным масштабом 1,6 м и с массой от 50 до 100 кг.

— И как можно экспериментально проверить столь глобальную теорию?

— Я часто говорю, что мы ищем черепки, оставшиеся нам от сверхдалекого прошлого. C каждым шагом вглубь прошлого становится все сложнее их найти, но пока это возможно. Самым прямым подтверждением теории было бы нахождение реликтовых гравитационных волн, возникших во время инфляционной стадии. Моя модель дает четкое предсказание, сколько таких волн должно быть во Вселенной. Речь идет о чрезвычайно слабом возмущении, характеризуемом разностью поляризации температуры порядка 1/3 микрокельвина.

— Есть у нас приборы, способные уловить такие явления?

— Современные приборы достаточно чувствительны, но им постоянно мешает засветка — галактическая пыль, которая светится.

Под пылью, кстати, я понимаю самую обычную пыль, витающую везде, наша Вселенная довольно пыльная.

И сейчас перед учеными стоит задача составить карту высокоширотной пыли нашей Галактики, чтобы научиться отделять шум от реликтовых гравитационных волн. Это нетривиальная задача, которой нужно заниматься.

— Другой «черепок» — реликтовое излучение, древний свет, отразивший неоднородности, родившиеся на инфляционной стадии. Насколько информативен этот «артефакт» сегодня?

— Это излучение несет уникальную информацию об устройстве Вселенной на ранних этапах. Наша теория инфляции предсказывала, что температура этого излучения должна быть неоднородной. Сегодня это положение блестяще подтверждено. В свое время я участвовал в эксперименте на радиотелескопе «РАТАН-600», и мы были близки к экспериментальному подтверждению инфляционной теории, но не хватило чувствительности прибора. В итоге первыми оказались американцы с экспериментом «COBE», за что они и получили Нобелевскую премию в 2006-м. Ну а самые полные данные удалось получить благодаря космическому телескопу «Планк». Он измерял характеристики реликтового излучения с 2009 по 2013 год. Именно он наиболее точно померил температуру реликтового излучения и создал карту неоднородностей.

— Как же выглядит эта карта?

— Это похоже на географическую карту. «Горы» — это области, где температура немножко, на 30 микрокельвинов, выше. А океаны — где она немножко ниже. На эту карту можно любоваться. Что интересно, она будет такой же, если измерить температуру в соседней галактике и даже в удаленной галактике в видимой части нашей Вселенной. Она изменится, только если мы удалимся на расстояние 10 тысяч мегапарсек. Поэтому, когда обсуждается возможность диалога с неземными цивилизациями и говорится, что у нас с ними не будет точек соприкосновения, я не соглашаюсь. Поскольку они видят такую же картину распределения температур и, безусловно, думают, откуда она взялась, то мы сможем об этом поговорить. Так что хотя бы одна тема для разговора у нас есть.

— А как вы объясняете феномен молчащей Вселенной? Почему мы так и не нашли, с кем можно поговорить?

— Начну немного издалека. В современной космологии для описания мира, который нас окружает, не так давно были введены четыре новые константы. Первая описывает, откуда появились неоднородности, вторая — соотношение числа фотонов к числу протонов, то есть света к материи. Третья — соотношение темной материи и обычной материи, четвертая связана с темной энергией и ее плотностью. Само возникновение Земли в ее нынешнем виде за 9 млрд лет, прошедших со времени окончания инфляционной стадии, это результат некоего соотношения этих четырех констант. Исходя из уравнений видно, что, по сути, это достаточно маловероятное событие. А развитие разумной жизни — событие еще менее вероятное. Судя по всем имеющимся данным, для этого нужны очень большие в среднем сроки. Так что молчание Вселенной, возможно, результат того, что мы элементарно развились самыми первыми. А жизнь в других Галактиках мы не видим, потому что ближайшую туманность Андромеды мы наблюдаем на расстоянии 3 млн лет тому назад. Этого достаточно, чтобы такое маловероятное событие, как возникновение жизни, стало еще менее вероятным.

Но это только одна гипотеза. Другое объяснение для нас более обидно: возможно, к примеру, что наша цивилизация настолько отклонилась от нормального развития, что нас решили изолировать от остального мира, поэтому мы сидим в некоей непроницаемой клетке.

Наука без границ

— Расскажите, пожалуйста, о вашем общении со Стивеном Хокингом, он упоминает вас в своей книге.

— Стивен упоминает только нашу встречу в Москве, но впервые мы встретились значительно раньше, еще в 1973-м в Польше на конференции Международного астрономического союза. Мне тогда было 25 лет, ему на 7 лет больше, и он уже был достаточно известным ученым. Кстати, мы сегодня говорим об экспериментах, а вот для него эксперимент никогда не был главным. Он верил, что в нашем мире описать количественно можно все на основании красивых математических гипотез.

— Как вы с ним общались?

— В 73-м году он говорил без компьютера, но очень неясно, поэтому требовался «переводчик»-англичанин, обязательно из учеников, кто разбирался в физике. После того как у него в 1982 году появился компьютерный переводчик, общаться стало намного легче. Тот факт, что он при этом сидел в коляске, никогда меня не смущал. Надо понимать, что я жил в послевоенное время, когда этим было не удивить. Тогда многие болели полиомиелитом и после этого получали инвалидность. Главное в Стивене Хокинге был ум и желание понять, как все устроено.

Тогда я ему рассказывал об эффекте суперрадиации, который существует у вращающихся черных дыр. На тот момент это было очень существенно и в какой-то мере затем подтолкнуло Хокинга к его главному открытию.

Прыжок через время

— Многие цивилизации задумывались об устройстве мира. Кто, на ваш взгляд, подошел ближе всего к истине, если таковой считать современные представления?

— Многие культуры правильно понимали, что изначально было что-то бесформенное, но не в смысле хаотичное, а максимально упорядоченное, которое затем начало перерождаться. В этом смысле что-то похожее можно найти у Аристотеля с его учением о бесформенной материи и в Библии, где говорится, что из ничего возник свет, а дальше из него — все, что мы видим, включая галактики и звезды. Другое дело, что как только древние переходили к каким-то конкретным временным численным представлениям, то ни о каком сходстве говорить уже нельзя. Мы сами конкретные числа узнали совсем недавно, в эпоху эксперимента.

— Вы уже много лет являетесь постоянным участником семинара «Физика и богословие» в Свято-Филаретовском православно-христианском институте. И даже являетесь его попечителем. Что для вас важно в этом опыте?

— Это эксперимент, который оказался интересен обеим сторонам. Изначально мы хотели понять, можно ли в принципе вести диалог и сопоставить две, как нам казалось, разные картины Вселенной.

Оказалось, рационально мыслящие богословы и нестандартно мыслящие ученые договориться могут.

Так называемого противостояния между верой и наукой нет, есть противостояние между догматиками и экстремистами как в вере, так и в науке, где таких людей тоже достаточно. Довольно быстро мы выяснили, что многие богословы не имеют хорошего естественного образования и у них встречаются довольно странные представления о науке, но и у нас, честно признать, были очень сильно упрощенные представления о христианстве.

Что касается картин мира, то наука и богословие занимаются разными областями. Колоссальные успехи естественной науки связаны с тем, что в области неодушевленной материи никаких пределов рациональному познанию мы не видим. Когда мне говорят, что все создал Бог, я отвечаю: пожалуйста, вы можете так думать, но Он явно благословил познавать мир, не ссылаясь на Его существование. В науке есть точные критерии истины, которая подтверждается экспериментом. В гуманитарных науках, кстати, такого нет.

Если говорить о религии, то в ней нет четкого представления о том, что является правильным. Скажем, каждое конкретное положение христианского Символа веры многие понимают по-разному, абсолютного авторитета нет. И это становится источником проблем, потому что люди, особенно без достаточного образования, начинают действовать непредсказуемо, исходя из своих религиозных представлений. Хотелось бы наоборот: чтобы, если человек верит в Бога, он вел себя соответствующим предсказуемым образом.

— Вы можете назвать себя атеистом?

— Нет, Пасху я не отрицаю. Я не отрицаю, что существует что-то вне тех рамок, которыми занимается наука, я допускаю существование духа. Если Бог — это где-то сверху, то дух — то что есть в людях. Это для меня великая гипотеза… Видим ли мы действие Бога в мире? На уровне неодушевленного мира нам это не нужно, но на уровне общества Бог, безусловно, действует через людей, которые в него верят. Когда атеисты начинают нас попрекать в заблуждениях, указывая, что мы верим в леших, то, повторюсь, произносят это люди с догматическими установками. Достаточно взять сам факт того, что христианская религия существует уже 2 тысячи лет — одно это уже чего-нибудь стоит.

— А в прогресс вы верите?

— Наука, несомненно, содействует прогрессу. Но всегда выясняется, что достижения можно использовать и во вред человеку тоже. Поэтому прогресс идет, но поскольку сам человек не очень меняется, то одновременно с прогрессом в одном месте — в другом начинается деградация. Например, сейчас много обсуждается перемена климата. Где-то действительно идет слабый процесс потепления, но одновременно в самых разных местах мы наблюдаем точки флуктуаций температуры в обе стороны — от самых неожиданных похолоданий до неожиданных потеплений. И этот эффект раз в десять перекрывает слабую-слабую тенденцию глобального потепления. С прогрессом такая же ситуация. Где-то он идет, и жизнь в целом улучшается, но на это накладываются колоссальные флуктуации, которые вдруг возникают внутри какой-то страны или народа. И вот они прогресс нивелируют. Так что прогресс есть в том смысле, что знать мы стали существенно больше, но пользоваться этим знанием люди, как правило, не хотят. Поэтому одна из важнейших задач ученых та же самая, что была 100, 200 и 300 лет назад,— это просвещение.