Портал создан при поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям.

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.  

Алексей Александрович Старобинский, академик, главный научный сотрудник института теоретической физики имени Ландау.
Алексей Александрович Старобинский, академик, главный научный сотрудник института теоретической физики имени Ландау.
Вячеслав Федорович Муханов,  профессор университета им. Людвига-Максимилиана (Мюнхен, Германия).
Вячеслав Федорович Муханов, профессор университета им. Людвига-Максимилиана (Мюнхен, Германия).

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.    

Обеспечим библиотеки России научными изданиями!

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.   

  Инфляционную теорию называют важнейшим открытием в теоретической физике за последние 30 лет. Заметим, что Нобелевская премия 2011 года вручена за открытие наблюдаемого в настоящее время учкоренного расширения Вселенной, которое является косвенным подтверждением возможности того, что и при рождении Вселенная могла пройти через аналогичную стадию.  

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. 


  

Автор: Алексей Понятов

Источник: www.nkj.ru