Розроблено теорію, що пояснює походження структури Всесвіту з допомогою квантових флуктуацій

Фізики Олексій Старобинский і В’ячеслав Муханов, розробили теорію, яка пояснює походження структури Всесвіту з допомогою квантових флуктуацій, удостоєні премії Грубера в області космології 2013 року.

Премія Грубера в області космології присуджується з 2000 року. У поданні нинішніх лауреатів відзначено їх «вагомий внесок у інфляційну космологію і теорію інфляційних флуктуацій метрики простору-часу. Ці дослідження змінили наші погляди на походження Всесвіту і механізм формування її структури». Вручення премії, розмір якої становить 500 тисяч доларів, відбудеться 3 вересня 2013 року на конференції COSMO 2013 в Центрі теоретичної космології Стівена Хокінга в Кембриджі, Великобританія.

Цікаво, що лауреати не мають спільних робіт, але протягом багатьох років використовують і розвивають ідеї один одного. Академік Олексій Олександрович Старобинский — головний науковий співробітник Інституту теоретичної фізики імені Ландау. В’ячеслав Федорович Муханов — нині професор університету ім. Людвіга-Максиміліана (Мюнхен, Німеччина). Теорія Муханова і Старобинского в рамках інфляційної космології пояснює походження структури нашого Всесвіту з квантових флуктуацій, і це одне із самих вражаючих проявів законів квантової механіки в космологически величезних масштабах.

Після відкриття в 1965 році передбаченого теоретично реліктового випромінювання, теорія гарячого всесвіту («Великий вибух»), стала загальновизнаною. Проте в її первісному варіанті існувало декілька проблем.

Так звана «проблема горизонту» полягала в виявленої експериментально однорідності мікрохвильового фонового випромінювання, тобто однаковості його температури до тисячної частки градуса в усіх напрямках. З теорії ж випливало, що температура видалених один від одного ділянок космосу повинна бути різною. Іншою проблемою була знову ж експериментально встановлена площинність простору (його нульова кривизна) – цей факт теж погано узгоджувався з теорією. Слід також відзначити і проблему ентропії: у відповідності з другим початком термодинаміки еволюція Всесвіту повинна супроводжуватися збільшенням ентропії, однак, з іншого боку, у вихідному стані сингулярності ентропія повинна була бути максимальна.

Вирішення цих проблем було знайдено у інфляційної космології, що представляє собою модифікацію теорії Великого вибуху шляхом введення в самому початку еволюції всесвіту надзвичайно короткого проміжку часу близько 10-35с, за який всесвіт колосально розширилася (понад 1030 разів). Це означає, що вся величезна спостерігається в даний час частина Всесвіту колись була невеликою областю з усталеною однорідної температурою. Таке швидке і об’ємне розширення могло призвести до практично нульовою кривизною.

Піонерську роботу в цьому напрямку зробив саме А. А. Старобинский, що запропонував у 1979 році космологічну модель на основі квантової гравітації. На жаль, ця дуже популярна в СРСР тоді робота не стала широко відомою на Заході. Тому спочатку в світі стали відомі інфляційні теорії Алана Гута (Alan Guth) і Андрія Лінде (вони стали лауреатами премії Грубера в 2004 році), а потім отримала визнання і робота Старобинского.

Однак у інфляційної космології була своя ахіллесова п’ята. Величезне розширення сглаживало всі первинні неоднорідності і робило Всесвіт однорідною, тому було незрозуміло, як в такому разі виникли такі неоднорідності галактики. Цю проблему вдалося вирішити в 1981 році в ФИАНе: Геннадій Чібісов і В’ячеслав Муханов (аспірант), спираючись на роботу Старобинского, висловили ідею, що галактики – це колишні мікроскопічні квантові флуктуації, які, як відомо з квантової фізики, існують завжди в відповідності з принципом невизначеності Гейзенберга. В ході розширення флуктуації розтягнулися до колосальних розмірів. А завдяки процесам з ранньої темною енергією, яка відповідає за інфляцію, вони посилилися настільки, що утворили потім неоднорідності густини речовини, завдяки яким потім з’являться галактики. Це, по суті справи, і було першою версією інфляційної космології.

Подальший розвиток цих ідей, що стали основою сучасної інфляційної космології, і отримав високу оцінку наукової спільноти. Старобинский крім того показав, як можна перейти з інфляції на класичне фридмановское розширення.
Інфляційну теорію називають найважливішим відкриттям в теоретичній фізиці за останні 30 років. Зауважимо, що Нобелівська премія 2011 року присуджена за відкриття явища прискореного розширення всесвіту, пов’язане з інфляційної моделлю.

Важливим моментом є те, що Муханову (в першу чергу) і Старобинскому вдалося розрахувати спектр реліктового випромінювання і передбачити, які характерні риси він повинен мати. Це дозволило поставити питання про експериментальній перевірці висловлених ідей. Перше підтвердження цих прогнозів астрономи отримали в 1992 році в експерименті COBE, а точніше – в експерименті WMAP.

Для довідки: COBE (Cosmic Background Explorer ), запущений у 1989 році, і WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), час роботи – 2001-2009, – космічні апарати США, основним завданням яких дослідження реліктового випромінювання. Роздільна здатність апаратури WMAP в 30 разів більше, ніж у COBE.

Саме результати WMAP призвели до того, що модель Старобинского почала набувати найбільше визнання, а нинішні лауреати отримали у 2009 році — одну з найпрестижніших нагород в астрофізиці міжнародну премію Tomalla Prize (Швейцарія) за видатний внесок у загальну теорію відносності та теорії гравітації.

У 2009 році був запущений супутник Європейського космічного агентства «Планк», використовуваний в тому числі і для вивчення реліктового випромінювання. Основні результати досліджень, опубліковані на початку 2013 року, показали, що спектр реліктового випромінювання з великою точністю збігається з тим, що передбачають розрахунки В’ячеслава Муханова по моделі Олексія Старобинского.

Зауважимо, що А. А. Старобинский у своїй піонерської роботі 1979 року зробив ще одне пророкування про спектрі реліктових гравітаційних хвиль. Очікується, що «Планк» спробує його поміряти.

Автор: Олексій Понятов
Джерело: www.nkj.ru

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *