Премия Грубера в области космологии 2013 года

После открытия в 1965 году предсказанного теоретически реликтового излучения, теория горячей вселенной («Большой взрыв»), стала общепризнанной. Однако в ее первоначальном варианте существовало несколько проблем.

Так называемая «проблема горизонта» заключалась в обнаруженной экспериментально однородности микроволнового фонового излучения, то есть одинаковости его температуры до тысячной доли градуса во всех направлениях. Из теории же следовало, что температура удаленных друг от друга участков космоса должна быть различной. Другой проблемой была опять же экспериментально установленная плоскостность пространства (его нулевая кривизна) – этот факт тоже плохо согласовывался с теорией. Следует также отметить и проблему энтропии: в соответствии со вторым началом термодинамики эволюция Вселенной должна сопровождаться увеличением энтропии, однако, с другой стороны, в исходном состоянии сингулярности энтропия должна была быть максимальна.

Решение этих проблем было найдено в инфляционной космологии, представляющей собой модификацию теории Большого взрыва путём введения в самом начале эволюции вселенной чрезвычайно короткого интервала времени порядка 10-35с, за который вселенная колоссально расширилась (более 1030 раз). Это означает, что вся огромная наблюдаемая в настоящее время часть Вселенной когда-то была небольшой областью с установившейся однородной температурой. Такое быстрое и объемное расширение могло привести к практически нулевой кривизне.

Пионерскую работу в этом направлении сделал именно А. А. Старобинский, предложивший в 1979 году космологическую модель на основе квантовой гравитации. К сожалению, эта очень популярная в СССР работа тогда не стала широко известной на Западе. Поэтому сначала в мире стали известны 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 и 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 и Вячеслав Муханов (в то время аспирант), опираясь на работу Старобинского, высказали идею, что галактики – это бывшие микроскопические квантовые флуктуации, которые, как известно из квантовой физики, существуют всегда в соответствии с принципом неопределенности Гейзенберга. В ходе расширения флуктуации растянулись до колоссальных размеров. А благодаря процессам с ранней темной энергией, которая отвечает за инфляцию, они усилились настолько, что образовали затем неоднородности плотности вещества, благодаря которым потом появятся галактики. Это, по сути дела, и было первой версией инфляционной космологии.

Дальнейшее развитие этих идей, ставших основой современной инфляционной космологии, и получило высокую оценку научного сообщества. Старобинский кроме того показал, как можно перейти из инфляции на классическое фридмановское расширение.
Инфляционную теорию называют важнейшим открытием в теоретической физике за последние 30 лет. Заметим, что Нобелевская премия 2011 года вручена за открытие явления ускоряющегося расширения вселенной, связанное с инфляционной моделью.

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. Разрешающая способность аппаратуры WMAP в 30 раз больше, чем у COBE.

Именно результаты WMAP привели к тому, что модель Старобинского начала приобретать наибольшее признание, а нынешние лауреаты получили в 2009 году — одну из самых престижных наград в астрофизике международную премию Tomalla Prize (Швейцария) за выдающийся вклад в общую теорию относительности и теорию гравитации.

В 2009 году был запущен спутник Европейского космического агентства «Планк», используемый в том числе и для изучения реликтового излучения. Основные результаты исследований, опубликованные в начале 2013 года, показали, что спектр реликтового излучения с большой точностью совпадает с тем, что предсказывают расчеты Вячеслава Муханова по модели Алексея Старобинского.

Заметим, что А. А. Старобинский в своей пионерской работе 1979 года сделал еще одно предсказание – о спектре реликтовых гравитационных волн. Ожидается, что «Планк» попытается его померить.

Алексей Понятов