И. МАКСУТОВ: У микрофона Ивар Максутов главный редактор журнала «Постнаука», сайта Постнаука.ру.  Сегодня у меня в гостях доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник отдела теоретической физики института ядерных исследований академии наук Дмитрий Горбунов. Дмитрий, здравствуйте!
 
Д. ГОРБУНОВ: Добрый вечер.
 
И. МАКСУТОВ: Поговорим мы сегодня о расширении вселенной, но прежде мы поговорим об ее основах.
 
Д. ГОРБУНОВ: Астрофизика включает в себя то, что называют космологией. Есть разные области, направления и все знания, которые мы получаем- это наблюдательные знания и они идут из астрономии. Через телескопы ученые наблюдают всевозможные излучения, которые приходят к нам из разных направлений. Не так давно удалось наблюдать не только вселенную в диапазоне электромагнитного излучения, но еще мы ее наблюдаем в нитридах. В данном случае речь идет об обычном электро-магнитном излучении и свете. Первые наблюдения были сделаны через обычный телескоп и если говорить о том, что называется вселенная и о том, что она развивается и является статической, то в данном случае речь идет о наблюдениях за объектами, которые являются очень далекими, если речь пойдет не о луне, не о солнце, и не о звездах, которые расположены в нашей галактике,  хотя это исключительно важно для всех. Многие задавались вопросом, что же это и потом догадались, что это диск галактики и мы находимся в этом диске.  Речь идет о наблюдении за объектами, которые находятся очень далеко от нас и с нами гравитационно не связаны. На первый взгляд может показаться немного странным это понятие, но оно появилось в том момент, когда люди увидели и правильно интерпретировали такое явление, как покраснение света от некоторых объектов. Ученные наблюдают свет от далеких объектов и в этом представлении считается, что физика такая же на земле, как и на луне, на солнце и далеких объектах.  Если там такая же физика, то там и такие же химические элементы и как эти химические элементы ведут себя, когда их возбуждает излучение, что они при этом излучают: какой свет, какого цвета. Мы смотрим на далекие объекты и ждем от них такой же свет, а свет приходит другой и немного смещенный. Свет краснеет. Интерпретация этого явления такое же, как интерпретация изменения звука поезда, который двигается по перрону. Мы слышим изменение звука поезда, которые проезжает мимо нас.  Со светом тоже самое. Интерпретация такая: объект, который произвел излучение был в движении. Все объекты, которые мы излучали двигаются от нас. Все смещается в одну сторону и все уходят от нас. Интерпретация предложена следующая, что объекты в своей локальной области двигаются как им положено и как они взаимодействуют в другими такими же объектами, а вот с далекими объектами все по-другому и интерпретация такая, что часть пространства удаляется от нас и так со всеми частями пространства, в которых находятся эти далекие объекты.
 
И. МАКСУТОВ: Мы наблюдаем свет от звезды или спектр галактики. Он должен был идти по некой траектории, но у него есть это красное смещение.
 
Д. ГОРБУНОВ: Он идет по понятной траектории, но в данном случае изменяется ее частота и длина волны, то есть он был зеленый и когда дошел до нас стал красным.  То, что он был зеленый мы верим по тому, что астрономы представляют себе как устроены галактики и мы верим, что физика у них такая же, как у нас здесь.  Совокупность знаний о физике и знаний о строении звезд  в нашей галактике делает такой постулат, что соответствующий спектр частотных характеристик такое же как и у нас. Мы ожидаем увидеть яркие линии от излучения, которые связанны с переходами между атомами и мы верим, что эти все явления такие же.  Все разбегаются и мы делаем вывод, что мы либо являемся выделенным центром, либо так устроено везде.  Например, если бы мы были не здесь, а на альфа центавре, то там было бы также Все ото всех улетают, если они конечно гравитационно  не связанны. Речь идет об гравитационно не связанных объектах, ни о луне с землей, ни о ближайших к нам галактиках.  Такая интерпретация была предложена ученым Хабблом, который сейчас больше известен по телескопу, чьим именем он был и назвал. Он измерил эти явления и вывел закон: чем больше смещается линия, чем больше смещается свет в красную область, тем на большем расстоянии находится объект. Этот закон линейный.  Расстояние до объекта прямо пропорционально  этому смещению. Смещение можно измерить и обнаружить расстояние до объекта, только для этого нужно вычислить константу пропорциональности, которую он вывел из своих наблюдений и эта константа пропорциональности называется «константа Хаббла». Сам вел, сам вычислил, сам назвал. Забавно то, что он ее вычислил не правильно. Современное значение этой константы, которая была измерена с высокой точностью разными методами и ее величина в 10 раз меньше, чем вычислил он.
 
И. МАКСУТОВ: Такие факты всегда заставляют слушателя и человека, который знакомится с логикой и ходом научного исследования начать сомневаться: «почему же вы сейчас знаете, что она посчитана правильно?».  Вам не кажется, что через 10 лет новые телескопы и новые методы исследований покажут что еще меньше или наоборот.
 
Д. ГОРБУНОВ: Это было первое наблюдение - это всегда риск в интерпретации того, что получил. Сейчас именно эту наблюдаемую измеряют разными способами, а не просто наблюдают за далекими объектам, как от них приходит свет. Они не зависимы между собой, в том смысле, что если здесь мы ошиблись, например, в определения расстояния. Например, как люди делают по стандартным свечам. У нас есть лампочка и мы знаем, что она 40 Вт и когда мы измеряем ее яркость, то знаем на каком расстоянии она находится. Единственное, что вам надо знать, что эта лампочка 40 Вт.  Такое наблюдение оставляет некий скептицизм. Приходит в помощь к этому наблюдению другое и третье наблюдение, которое не используют стандартные свечи, а используют другие наблюдаемые. Это интересное явление, которое существенно отличается от того, что мы имеем в других науках.
 
И. МАКСУТОВ: Мы не можем поставить эксперимент, а можем только наблюдать.
 
Д. ГОРБУНОВ: Конечно мы только наблюдаем. Появился источник, от него пошел свет и он идет и вселенная расширяется и в ней происходят свои процессы, входит в галактику и там тоже свои процессы. Потом мы поймали свет и должны от всего этого мусора откреститься, и сказать, а как же свет распространялся и как он изменял свое движение из-за того что вселенная расширялась.
 
И. МАКСУТОВ: Для кого-то из слушателей это может быть хорошим оправданием того, что наука ничего толком не знает и все это находится на хрупких основаниях. В представлении людей то, чем занимаются астрофизики - это то, что они смотрят в телескоп, хотя понятно, что давно никто в глазок не смотрит.
 
Д. ГОРБУНОВ: В глазок не смотрит, но идейно это такие же наблюдения. Если большой объем данных ,то придумывают цифровые способы обработки. И в то же время глаз во многом используется. Есть большой каталог галактик SPSS-каталог, то вы выйдите на сайт географической информации, то есть такая трехмерная карта. Задача телескопа была в том, чтобы найти сигналы, определить все источники с яркостью выше заданной. В данном случае тусклый – это его яркость. Это не означает, что объект сам по себе слабый, он может быть очень мощным. Пока он шел к нам свет распределился и собрался в небольшой телескоп. Сколько в телескоп во внутрь залетело фотонов, такой сигнал мы и увидим. Он попытался составить трехмерную карту распределения звезд, галактик. Некоторые интерпретации все же требуют глаз. Например, есть фотография галактики похожую на нашу, условно говоря, такой диск, который вращается. Как понять в какую сторону он вращается? Ответ на этот вопрос требует глаза. На этой сайте есть программа и люди могут в ней участвовать, то есть даются данные и картинки, и по простому алгоритму делают свои заключения. Одни и те же картинки просматриваются разными людьми, если выводы один и тот же, то ученые доверяют. Добор данных большой и невозможно его обработать. Это не как на большой андронном коллаидре, но схоже.
 
И. МАКСУТОВ: Вернемся к истории по расширению вселенной.
 
Д. ГОРБУНОВ: Дальше наша вселенная расширяется и хочется понять с чем это связанно. На самом деле, если говорить о большой вселенной и больших расстояниях, то те фундаментальные силы все умирают, кроме гравитации. А гравитация - это притягивающая сила. И пришло представление о том, что когда-то был большой взрыв, который все разбросал и теперь это расширение замедляется, потому что гравитация и положительные массы притягиваются друг к другу. И тем самым пришли в к выводу, что вселенная должна расширяться с замедлением. Гравитация останавливает расширение. Суть состоит в том, что в зависимости от некой детали устройства нашей вселенной на очень больших расстояниях будущее вселенной могло бы быть разной. Это расширение могло остановится, могло бы и не останавливаться, но оказалось все не так и в 1998 году стали появляться довольно подробные исследования сверхновых, в зависимости от того на каком расстоянии от нас они находятся.  Этими сверхновыми нашли некую наблюдаемую, которая позволила определить, что это лампочка 40 Вт.  Сверхновое – это яркие и мощные вспышки и можно смотреть на вселенную на очень больших расстояниях.  Вспышка видна далеко.  До этого для объектов использовались звезды, которые ближе к нам располагаются. Звезды называют цефеиды и их используют и сейчас. Блеск у звезды периодичен, то есть, то ярче, то тусклее. Это период завидит от ее собственной светимости 40 Вт или 60 Вт. Для лампочки 40 Вт - период будет, условно, 2 дня, для лампочки 60 Вт будет - 1 день. Период очень измерить легко. После измерения я понимаю, что лампочка 60 Вт после этого я узнаю ее яркость, после нахожу величину смещения спектра в красную область и тем самым подтвердил закон Хаббла, то есть определил этот параметр. Теперь аналог этого же только не для звезд, а для сверхновых позволил определить этот параметр Хаббла и мы увидели что он какой-то не такой.  Дальше мы стали разбираться какой он и выяснили, что он в принципе может быть другим. Стали разбираться что же это за величина и что на нее влияет. Из общей теории относительности или из уравнения Фридмена, которая определяем связь между параметрами Хаббла. Мы увидели что есть такое явление и он эмпирически вывел закон: чем больше расстояние, тем больше смещается излучение в красную область. После того, как мы поверили в теорию относительности нужна теория, которая сможет это доказать и чтобы связать эти наблюдения. Источник гравитации - это материя и др. компоненты.  Эти компоненты определяют гравитационный потенциал, который определяет темп расширения вселенной. Это дается в  уравнении Фридмена. Теория возникла между наблюдениями в 20-х годах прошлого века и довольно успешно себя подтвердила.  Ученые, которые работают с экспериментальными данными пытаются понять, а какие есть компоненты в нашей вселенной, вставляют эти компоненты в уравнения Фридмена, измеряют параметры Хаббла и таким образом понять состав. В 1998 году люди поняли, что во вселенной есть компоненты, которые сейчас называются «темной энергией». Состав этой компоненты совершенно новый, потому что в геофизике частиц такого явления не было. В каком-то смысле это можно называть энергией вакуума.  В гравитации энергия гравитирует, то есть является источником гравитации. Это явление было обнаружено по сверхновым, о которых идет и никто бы ее не искал, так как  на сегодняшний момент этот компонент наблюдается только при объяснении явления о расширении вселенной. Вселенная оказывается не замедляется, а наоборот расширяется с ускорением. Такое явление никто не ожидал.
 
И. МАКСУТОВ: Замечание по поводу мощности лампочки. 40 Вт - это потребляемая мощность.
 
Д. ГОРБУНОВ: Яркость - это то, что измеряет экспериментатор, он измеряет сколько фотонов каких энергий прилетает к нему в единицу времени на его площадку детектора, где он регистрирует. Если говорить о телескопе, то там есть линзы, то те фотоны, которые пролетели через линзу они нам и говорят об объекте, а то что слева справа – мы не зарегистрировали. Мощность это та же самая единица.  В данном случае - это светимость объекта. Это то,  сколько и каких фотонов он запустил в единицу времени.
 
И. МАКСУТОВ: Темная энергия – это что-то темное, страшное и почти метафизическое.
 
Д. ГОРБУНОВ: Ранее была такая компонента, которую назвали «темной материей». С точки зрения гравитации она ведет себя также, как и обычная материя, но темная она потому, что мы ее не видим в телескоп. Вести ее пришлось по тому, что наблюдения, которые имеются для вращения звезд в галактиках, вращение облаков в звездных галактиках, для явления лицензирования на скоплениях, когда мы видим источник, свет летит мимо мощного гравитационного поля, создаваемого скоплением галактик искажается. Мы видим картинку искажений, появляется много образов и у каждого образа мы можем посмотреть их спектры, амплитудно-частотную характеристику излучений. Мы видим, что эти образы одинаковые и пришли от одного объекта. По этой картинке образов можно восстановить гравитационный потенциал, линзу, которая исказила, также, как кривое стекло искажает свет.  При восстановлении не хватает обычной материи, той которую мы видим в телескоп, чтобы объяснить это явление. Если мы посчитаем, что там есть материя, которая не светит в телескоп, но также собирается в гравитационных центрах, ведет себя точно также как звезды, только не излучает, то все сойдется. И таких проявлений темной материи очень много. В этот компоненту поверили давно и когда появилась странная сторона объекта, которая постоянная ее иногда называют темной энергией. Для того, чтобы убедиться, что это постоянная величина нам нужно убедиться в этом с бесконечной точность. Как убедиться в том, что наш мир абсолютно плоский? Это совершенно невозможно, но можно говорить о том, что он кривой, то радиус кривизны сегодня больше 10ки, завтра больше 20ки и так далее. Сказать, что он равен бесконечности мы вряд ли сможем. Точно также с этой постоянной, поэтому иногда ее называют темной энергией. Имеющиеся экспериментальные результаты согласуются с представлением того, что возможно это такая константа.
 
И. МАКСУТОВ: Могут ли астрономы ошибаться?
 
Д. ГОРБУНОВ: Астрономы обнаружили и стали кричать, что вселенная расширяется с ускорением и есть темная энергия, которая возможно за это ответственна. Им поверили не все, так как это странный объект по многим причинам. Их начали пытаться проверять такими же способом, то есть другие телескопы и астрономы проводили исследования и пытались по другим сверхновым определить эту величину. После этого люди увидели проявление этой странной субстанции в разных других местах. Например, во вселенной происходит постоянный рост структур и образуются первичные звезды, потом мелкие галактики, более крупные галактики, мелкие скопления, крупные скопления и дальше такой рост структур во вселенной, который наполнен не только материей продолжался. Гравитация все замедляет, она замедлила кого-то и они образуют структуру,  потом еще медленнее расширяется вселенная и гравитация может схватить еще более далекие объекты и сформировать более крупную структуру. Из-за того, что вселенная стала расширяться с ускорением этот процесс остановился. И мы видим, что в современной вселенной скопления уже не образуются. Процесс образования структур завершился на крупных скоплениях некоторое время назад и мы видим этот этап. Мы видим, что до какого-то момента скопления увеличивались, а потом все остановилось и новые скопления не образуются. Такая совокупность наблюдений сошлась в том, что это все-таки космологическая постоянная или темная энергия, то тогда людям дали Нобелевскую премию, а до этого не давали.
 
И. МАКСУТОВ: Как осуществляется взаимодействие космологов и астрономов. Есть ли сильные различия?
 
Д. ГОРБУНОВ: Используются разные наблюдения разными астрономами и разными телескопами, в принципе, одной и той же физической величины. С другой стороны эту физическую величину пытаются определить из разных существ наблюдаемых. То есть с одной стороны мы можем наблюдать как изменяется блеск сверхновых, с другой стороны наблюдать , а когда у меня на красном свечении перестали быть скопления галактик.  Скопления галактик мы отлично видим в рентгеновские телескопы, потому что в центр газ светит очень мощно. У людей были проблемы до того, как эта космологическая постоянная нашла себе место в аппарате использованном космологами. Был такой вариант: если можно оценить возраст вселенной в представлении о том, что основную плотность энергии составляют обычные вещества, материи, темные материи, такое вещество, которое скапливается в галактике, в материи, то эту оценку можно сделать используя уравнения Фридмена и используя наблюдения измерения параметров Хаббла, которые мы сделали по ближайшим софитам. Определить возраст. Например, возраст оказывался 10 млрд. лет. А при этом те же астрономы говорили, что есть много более старых звезд, т.е. звезды, в которых процесс перегорания ядерного топлива прошел столько этапов, что если подсчитать время, то это время превышает 10 млрд. лет и это очень странно. Странно то, что во всей вселенной, у которой возраст меньше вдруг есть объекты, которые более старше. Эта космологическая постоянная привела к тому, что возраст вселенной увеличился примерно в 1.5 раза и наблюдения за звездами, которые были сделаны они стали согласовываться с такой оценкой. Это совсем разное наблюдение и нельзя рассуждать так, что это старая звезда, которая почти ничего не излучает. Именно поэтому требуется совокупность наблюдений, чтобы  делать утверждение более менее четко.
 
И. МАКСУТОВ: Вы не боитесь, что расширение смениться сжатием и вселенная сожмется в точку?
 
Д. ГОРБУНОВ: Может такое произойти, но в данном случае вопрос о характерном времени. Тут утверждение такое, что если произойдут какие-то явления, а мы действительно не можем предсказать будущее достаточно хорошо, потому что мы не понимаем, что это за такая «темная энергия». До условной катастрофы у нас есть еще примерно столько же времени, сколько уже прожила вселенная.  Это 15 млрд лет и это довольно много.
 
И. МАКСУТОВ: Бессмертия мы пока не достигли.
 
Д. ГОРБУНОВ: Здесь простая логика: у нас есть видимая вселенная и чтобы свет ее пролетел для этого и потребуется 15 млрд лет.  Представим себе, что где-то произошла катастрофа и там образуется новая состояние, оно от нас отлично и нас это уничтожит каким-то образом. Например, есть явление кипения, когда в чайнике образуются пузырьки, внутри газ, а с наружи жидкость.  Тот кто попал во внутрь пузырька, тот умер. Случился новый вакуум и где-то образовался пузырек, который расширяется и когда он пройдет через нас, то все будет по-другому. Но странно было бы думать, что пузырек образуется, например, в этой комнате. Но если он образовался во вселенной, а скорость расширения стенок этого пузырька скорость света и то время, которое нужна свету, чтобы пересечь вселенную 15 млрд лет у нас есть.
 
И. МАКСУТОВ: Убедили, что ускоренно расширяется вселенная. С чем сейчас надо разобраться и какие перспективы у этих исследований?
 
Д. ГОРБУНОВ: Если говорить от обычной физики, то космологическая постоянность - это постоянная. Мы много сказать не можем, а если говорить о  явлении «темной материи» то в предположении что это такие же частицы, которые не светят и не участвуют в электромагнитной взаимодействии, то такую компоненту можно исследовать и искать. Проводятся поиски частиц «темной материи» по миру и время от времени появляются обнадеживающие высказывания о том, что видят какой-то сигнал, но пока это рассасывает. Что из себя представляет «темная материя»  - это обычная задача физики, которую люди пытаются найти и найти частицы, которые дают такой мощный гравитационный потенциал, а пока мы их не видим в телескоп, потому что они не электрически нейтральны. Другая задача, которая пока не решена и не понятна: мы все состоим из частиц, материи, вещества и антивещества нас нет, при этом на большом андронном коллаидре частицы и античастицы рождаются парами, когда у нас космические лучи бьют по атмосфере и рождаются широкие атмосферные ливни, то частицы рождаются парами. У нас есть электронный позитрон и парное рождение. И как так получилось, что мы с остались веществом, а антивещества нет. Это не понятно. Это решение нашей вселенной, то есть где-то в нашей вселенной, в ее истории был этап, на котором, можно так сказать, нас обокрали. Куда делось антивещество? Объяснить куда делись античастицы невозможно. Это загадка. Тут, как и в случае с материей требуется модификация физики частиц и нужно добавить некие новые частицы, которые бы позволили во вселенной создать ситуацию позволяющую нам родить больше частиц, а не античастиц и наоборот. Весной был громкий шум посвящённый утверждению экспериментаторов, астрономов тому, что они обнаружили гравитационные волны. Напрямую мы пока не видели гравитационные волны, хотя за них получена Нобелевская премия. Она получена за их опосредованное наблюдение. Двойная система, меняет характер своего излучения в соответствии с представления общей теории относительности, что когда они в экстазе крутятся друг на против друга они излучают  не только электромагнитном диапазоне, но также излучают и в гравитационном поле. Не прямое наблюдение, которое было объявлено весной, это наблюдение, которое было сделано за свойствами реликтового излучения интерпретация которых состояло в том, что из-за того, что реликтовые фотоны прошли через реликтовые гравитационные волны.  Два реликта, два излучения, которые пришли к нам из ранней вселенной. Если говорить о реликтовом излучении, то это эпоха образования водорода в ранней вселенной, а если говорить о реликтовых гравитационных волнах, то это более ранняя эпоха, гипотетическая стадия и эта стадия предсказывает образование крупных гравитационных волн, которые превышают размер галактики.
 
И. МАКСУТОВ: Любопытно то, что космология и астрофизика занимается прошлым, наблюдает следы прошлого.
 
Д. ГОРБУНОВ: В данном случае наблюдают следы прошлого, но если говорить о космологической постоянной то ее проявление в современной вселенной. Вселенная расширяется и плотность галактик падает. В прошлом плотность была выше и плотность водорода была выше, даже если она превышала плотность космологической постоянной. Многие проявления гравитационных волн, мы их видим в поляризации реликтового излучения. Оно образовалось, когда нашей вселенной было 300 тыс. лет, а сами гравитационные волны образовались  когда вселенной было 10 в -20 секунды. Проявиться они смогли только за счет явлений и процессов, которые происходили в более поздней вселенной.  Это интересный сюжет, с одной стороны мы смотрим позднюю вселенную и фотоны, которые мы регистрируем – это сегодняшние фотоны, с другой стороны излучились они давно, а с другой стороны бывает, что производя наблюдения на больших масштабах  мы изучаем очень раннюю физику. Вселенная была чудовищно плотной.  Плотность энергии во много раз превышала ту, что нам доступна на большом андронном коллаидре, поэтому производя наблюдения за большими волнами на больших расстояниях мы исследуем физику очень малых масштабах и очень больших энергиях и до которых мы больше никак добраться не можем.  Явление произошло очень давно, но осознаем мы его сегодня пытаясь открутить всю историю назад. 
 
И. МАКСУТОВ: Меня в детстве расстроила мысль о том, что звезды, в которым ты привыкаешь, что это свет давно умершей звезды. Ты привык считать ее сущностью, но на самом деле ее уже нет.
 
Д. ГОРБУНОВ: Да их уже нет.
 
И. МАКСУТОВ: Спасибо.