Как Большой взрыв "породил" мобильную связь

Интервью с российским ученым мирового уровня, академиком РАН, главным научным сотрудником Института теоретической физики им. Л.Д.Ландау РАН Алексеем Старобинским читайте в газете "Казанский университет".

Алексей Александрович Старобинский - физик-теоретик, один из создателей современной теории рождения Вселенной (расширившей общепринятую теорию Большого взрыва) - инфляционной модели. Он окончил физфак МГУ и продолжил научную деятельность под руководством знаменитого советского физика, академика АН СССР, трижды Героя Социалистического Труда Якова Борисовича Зельдовича (1914-1987).

Список научных достижений А.Старобинского настолько велик, что может послужить темой отдельной статьи, поэтому назовем только самые важные из них. Ученый, вместе со своим наставником, рассчитал количество частиц в однородной космологической модели. Кроме того, они продемонстрировали (и доказали) знаменитому физику Стивену Хокингу, что, в соответствии с принципом неопределенности квантовой механики, черные дыры должны не только поглощать, но также порождать и излучать частицы.

А.Старобинский также стал, совместно с другими учеными, основоположником теории ранней Вселенной, впервые рассчитал спектр генерируемых на инфляционной стадии гравитационных волн, а также разработал теорию разогрева материи во Вселенной после конца инфляционной стадии.

За эти и многие другие научные достижения А.Старобинский удостоен ряда наград, иногда по своей значимости вплотную приближающихся к Нобелевской премии. Это: Премия им. А.А.Фридмана, присуждаемая РАН (1996 г.), Международная премия Томалла (Швейцария, 2009 г.), Медаль Оскара Клейна Королевской Академии наук и Стокгольмского университета (Швеция. 2010 г.), совместно с В.Мухановым - Медаль Амальди Итальянского гравитационного общества (2012 г.) и Премия Грубера в области космологии (2013 г.). А недавно Алексей Старобинский стал лауреатом престижной премии Кавли за «новаторскую теорию космической инфляции». Об этом говорится в сообщении Норвежской академии наук.

Кроме того, в планах А.Старобинского тесное научное сотрудничество с учеными alma mater. Об этом и о многом другом академик рассказал следующее:

- Алексей Александрович, расскажите, пожалуйста, что такое Большой взрыв и что представляет собой ваша теория?

- Большой взрыв - общепринятая космологическая модель, описывающая раннее развитие Вселенной, так сказать, ее рождение. Согласно этой модели, к моменту начала БВ (15-20 миллиардов лет назад) наша Вселенная была небольшим, но невероятно плотным, шарообразным сгустком первичной материи, раскаленным до миллиардов градусов. В какой-то момент времени из-за взаимодействия частиц этой материи произошла реакция, которая и привела к колоссальному взрыву. Отмечу, что период взрыва в космологии получил название космическая сингулярность. Так называют состояние материи, в котором она обладает бесконечной плотностью и температурой.

В его результате частицы полетели во все стороны с колоссальной скоростью - юная Вселенная начала расширяться. Мчавшиеся в пустоте частицы из-за слишком высокой температуры еще не могли соединяться в атомы. Этот процесс начался гораздо позже - примерно, через 1000000 лет, когда образовавшееся в результате Большого взрыва гигантское облако материи охладилось до температуры в 4000 C. А это был уже 1-й шаг к образованию галактик и. соответственно, отдельных космических объектов.

Что же касается инфляционной модели, то это - гипотеза о физическом состоянии Вселенной на ранней стадии Большого взрыва, предполагающая период ускоренного, по сравнению со стандартноймоделью горячей Вселенной, расширения.

- А какими доказательствами того, что Большой взрыв произошел, располагает наука?

- Постараюсь ответить так, чтобы было понятно всем: есть 3 основных экспериментальных аргумента в пользу Большого взрыва. Это, во-первых, красное смещение в спектрах далеких галактик и во-вторых - наличие в космосе большого количества образующегося при любой ядерной реакции дейтерия. 3-й аргумент - наличие заполняющего всю Вселенную реликтового излучения - газа ультрахолодных (всего 3 К) фотонов.

- Алексей Александрович, каковы именно ваши научные интересы?

- Я работаю в области теоретической астрофизики и космологии. В этих научных областях за последнее время было сделано множество замечательных открытий, за которые было даже получено несколько Нобелевских премий. Например, космология. Что это такое? Это наука, изучающая всю наблюдаемую Вселенную в целом. Добавлю - нашу Вселенную, поскольку по современным научным представлениям, возникшим в результате кропотливых исследований, приходит понимание, что их может быть несколько и даже много. Как во времена Джордано Бруно самые смелые умы говорили о возможности существования множества обитаемых планет, так мы сейчас говорим о множестве вселенных.

- А какую именно область космологии вы исследуете?

- В космологии можно выделить 2 основные части: изучение современного устройства Вселенной и исследования ее прошлого. Я работаю в обеих областях - там есть множество замечательных вещей, которые очень интересно исследовать. Что особенно актуально сейчас - серьезный прорыв в изучении прошлого. Мы, например, открыли, что Большой взрыв состоял из двух абсолютно симметричных стадий: «горячей», о которой заговорили в конце 50-х годов, и предшествовавшей ей «холодной», гипотезу о существовании которой мы с А.Ильиным выдвинули в 1979 г.

Эта стадия названа мной именем голландского астронома Виллема де Ситтера (1872-1934), который, наряду с Альбертом Эйнштейном, применил теорию относительности к космологической проблеме, предсказав возможность быстрых движений космических объектов, что послужило отправной точкой для теории расширяющейся Вселенной.

- Что это за стадии?

- «Холодная» стадия отличается от «горячей» и последовавшей за ней стадии разлета материи (исследованной нашим соотечественником А.Фридманом). На всех этих стадиях Вселенная расширялась, но на первых 2-х - замедленно, а на 3-ей - ускоренно. Причем, сначала, особенно на «холодной» стадии, она была намного более однородной, чем сейчас. Это видно по реликтовому излучению - во-первых, из-за расширения Вселенной его температура упала до 2,7 К. Кроме того, в разных участках Вселенной она отличается от средней приблизительно на 0,00001 К, что прямо говорит о неравномерности расширения.

Замечу также, что, согласно теории относительности А.Эйнштейна, во время «холодной» и «горячей» стадий Большого взрыва время и пространство были искажены из-за всплесков энергии колоссальной мощности - на порядок больше тех, что можно вызвать в Большом андронном коллайдере.

- Как повлияло открытие «холодной» и «горячей» стадий на изучение Вселенной?

- В старой космологии начальных условий - этих стадий - не знали. Знаменитый французский физик, математик и астроном Пьер-Симон де Лаплас в свое время сказал: «Дайте мне начальные условия, и я рассчитаю все будущее». Сейчас мы имеем то, о чем он мечтал - выделенные начальные состояния, а это значит, что, используя определенные формулы и уравнения, мы можем точно спрогнозировать многие происходящие во Вселенной процессы, основываясь на экспериментах. Такие эксперименты уже проводятся и дают некоторые результаты, хотя сейчас мы пока находимся на том же уровне, что ученые XVIIIв., исследовавшие электричество и магнетизм.

- То есть, какие-то итоги подобных исследований Вы уже можете назвать?

- Разумеется. Во-первых, мы узнали о существовании в прошлом Вселенной целой эпохи и относительно хорошо ее изучили, а во-вторых, научились, исходя из этих знаний, точно предсказывать какие-то явления, которые произойдут во Вселенной в будущем. Кстати, многие ученые сегодня используют накопленные знания для того, чтобы рассчитать процессы, происходящие в других вселенных.

Делается это с помощью компьютерных симуляторов, причем расчеты идут от больших масштабов (там все более упорядочено) к меньшим. Сейчас, например, исследуются процессы, возможно происходящие в галактиках. В совсем недалеком будущем станет возможным изучение созвездий, планетных систем и отдельных астрономических объектов.

Кроме того, с помощью таких методов вполне возможно изучение «темной материи». Кстати, отмечу, что во время ускоренного расширения ее свойства приобретала обычная материя, хотя связь между ними пока не найдена. И еще - с помощью этих методов можно изучать процессы, происходящие в человеческом организме.

- Алексей Александрович, применяются ли результаты этих исследований на практике?

- Они дали толчок развитию электроники. В свое время для эффективных наблюдений за реликтовым излучением были разработаны сверхчувствительные и одновременно сверхмощные приемники, работающие в УКВ-диапазоне. Принципы их работы сейчас успешно воплощены, например, в мобильных телефонах и компьютерах-планшетах.

- Расскажите, пожалуйста, о Ваших планах сотрудничества с КФУ.

- Сейчас во всем мире сейчас появляются научные центры, специализирующиеся на космологии. В России пока таких нет, но есть КФУ, в котором с XIXвека успешно работает научная школа по космологии. У меня и моих казанских коллег возникла идея создать подобный центр на основе Института физики. Центр будет исследовательским, ориентированным на аспирантов и постдоков - они будут под нашим руководством работать по наиболее актуальной тематике.

- А каковы перспективы этого центра?

- Лично я ожидаю от его работы очень интересных результатов в исследованиях новых видов материи, той же «темной», например, а также нерелятивистских частиц.

- И напоследок, Ваши пожелания Казанскому университету?

- Желаю вашему замечательному вузу успешного развития и достижения всех намеченных целей. Я уверен, что КФУ достоин и способен занять подобающее ему высокое место в ряду ведущих мировых вузов!

Также в номере газеты "Казанский университет" от 26 сентября вы можете прочитать: