Квантовые эффекты в масштабе Вселенной
Физики Алексей Старобинский и Вячеслав Муханов, разработавшие теорию, которая объясняет происхождение крупномасштабной структуры Вселенной с помощью квантовых флуктуаций, удостоены премии Грубера в области космологии 2013 года.
Премия Грубера в области космологии присуждается с 2000 года. В представлении нынешних лауреатов отмечен их «весомый вклад в инфляционную теорию квантовых флуктуаций метрики пространства-времени. Эти исследования изменили наши взгляды на происхождение Вселенной и механизм формирования ее структуры». Вручение премии, размер которой составляет 500 тысяч долларов, состоится 3 сентября 2013 года на конференции COSMO 2013 в Центре теоретической космологии Стивена Хокинга в Кембридже, Великобритания.
Интересно, что лауреаты не имеют совместных работ, но на протяжении многих лет используют и развивают идеи друг друга. Академик Алексей Александрович Старобинский — главный научный сотрудник Института теоретической физики имени Ландау. Вячеслав Федорович Муханов — в настоящее время профессор университета им. Людвига-Максимилиана (Мюнхен, Германия). Теория Муханова и Старобинского объясняет происхождение структуры нашей Вселенной из квантовых флуктуаций, и это одно из самых впечатляющих проявлений законов квантовой механики в космологически огромных масштабах.
После открытия в 1965 году предсказанного теоретически реликтового излучения, теория горячей вселенной («Большой взрыв»), стала общепризнанной. Однако в ее первоначальном варианте была довольно проблематичной.
В частности, обнаруженное микроволновое фоновое излучение имело одинаковую температуру с точностью до тысячной доли градуса во всех направлениях. С другой стороны из теории следовало, что температура в разных направлениях должна слегка отличаться, а именно, вариации температуры должны быть порядка одной стотысячной температуры самого излучения, 0,00003 К. Обнаружить эти флуктуации в 1970-х годах с Земли не удалось, и только в 1992 году, когда измерительную аппаратуру вывели в космос, открытие состоялось. Другой проблемой было объяснение крайне маловероятной реализации начальных условий, при которых было бы возможно возникновение нашей Вселенной.
Решение этих проблем было найдено в инфляционной космологии, представляющей собой модификацию теории Большого взрыва. Согласно этой модификации сразу после рождения Вселенная расширялась с ускорением и за чрезвычайно короткое время порядка 10-35с, за который вселенная колоссально увеличилась (более 1030 раз). Это означает, что вся огромная наблюдаемая в настоящее время часть Вселенной когда-то была небольшой областью с установившейся однородной температурой. Такое ускоренное расширение естественным образом объясняло происхождение нашей Вселенной.
Пионерскую работу в этом направлении сделал именно А. А. Старобинский, предложивший в 1979 году космологическую модель, Вселенной, где на начальной стадии доминировала темная энергия. К сожалению, эта очень популярная в СССР работа тогда не стала широко известной на Западе. Поэтому сначала в мире большую популярность приобрели инфляционные теории Алана Гута (Alan Guth) и Андрея Линде (они стали лауреатами премии Грубера в 2004 году), а потом признание получила и работа Старобинского.
Однако у инфляционной космологии была своя ахиллесова пята. Огромное расширение сглаживало все первоначальные неоднородности, то есть делало Вселенную однородной, поэтому было непонятно, как в таком случае возникли такие неоднородности, как галактики. Эту проблему удалось решить в 1981 году в ФИАНе: Геннадий Чибисов (недавно ушедший из жизни) и Вячеслав Муханов (в то время аспирант) высказали идею, что галактики возникли из первоначально микроскопических квантовых флуктуаций, которые, в соответствии с принципом неопределенности Гейзенберга, существуют всегда. В 1981 году Муханов и Чибисов пришли к выводу, что стремительное экспоненциальное расширение Вселенной могло растянуть квантовые флуктуации до колоссальных размеров. При этом флуктуации усилились настолько, что образовали неоднородности плотности вещества, ставшие зародышами будущих галактик. Это, по сути дела, и было первой версией инфляционной космологии.
Дальнейшее развитие этих идей в 1982 году, сделанное рядом учёных, включая Старобинского, стало основой современной инфляционной космологии, и получило высокую оценку научного сообщества. Своей кульминации исследования инфляционных флуктуаций достигли в 1985 году в работе Муханова, который разработал строгую теорию, применимую к широкому классу инфляционных моделей, включая так называемую хаотическую теорию инфляции.
Важным моментом является то, что Муханову (в первую очередь) и Старобинскому удалось рассчитать спектр реликтового излучения и предсказать, какие характерные особенности он должен иметь. Это позволило поставить вопрос об экспериментальной проверке высказанных идей. Первое подтверждение этих предсказаний астрономы получили в 1992 году в эксперименте COBE, а более точное – в эксперименте WMAP.
Для справки: COBE (Cosmic Background Explorer ), запущен в 1989 году, и WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), время работы – 2001-2009, – космические аппараты США, основной задачей которых исследование реликтового излучения.
