"Не знаю другого ученого, другого живого теоретического физика, который был бы настолько сосредоточен на том, актуальны ли наши теории и идеи для реального мира. Именно этого он всегда добивается." - Нил Турок о Поле Штейнхардте
Мы состоим из растянутых квантовых флуктуаций. По крайней мере, таково на сегодняшний день самое популярное объяснение космологов. Согласно их теории, история нашего существования началась миллиарды лет назад с поля, которое уже исчезло, но которое толкнуло вселенную к быстрому расширению, называемому "инфляцией". Когда инфляция закончилась, поле распалось, и его энергия превратилась в излучение и частицы, которые до сих пор существуют.
Инфляцию предложили более 35 лет назад, среди прочих, Пол Штейнхардт. Но Штейнхардт стал одним из самых ярых критиков этой теории. В недавней статье в "Scientific American" Штейнхардт вместе с Анной Иджас и Ави Лоеб не стеснялись в выражениях. Большинство космологов, по их мнению, - безоговорочные верующие:
"Сообщество космологов не взглянуло холодно и честно на теорию Большого взрыва и инфляции или не уделило значительного внимания критикам, которые сомневаются в том, что инфляция имела место. Скорее космологи принимают на веру утверждение сторонников о том, что мы должны верить в теорию инфляции, потому что она предлагает единственное простое объяснение наблюдаемых особенностей вселенной."
И это ещё хуже, утверждают они, инфляция даже не является научной теорией:
"Космология инфляции, как мы её сейчас понимаем, не может быть оценена с использованием научного метода."
В качестве альтернативы инфляции Штейнхардт и другие предлагают "большой отскок". В этом сценарии нынешнее расширение Вселенной предшествовало фазе сжатия, дающее похожие преимущества, как инфляция.
Борьба этой группы против инфляции не является новостью. Они изложили свои аргументы в серии статей за последние годы. Но недавняя статья в SciAm вызвала на сцену защитников инфляции. Под руководством Дэвида Кайзера они подписали письмо в "Scientific American", в котором жаловались, что журнал предоставил место для критики инфляции.
Список подписавших письмо исследователей странный: среди них те, кто сам работает над инфляцией, и физики-люминесценты, которые мало или совсем не занимаются инфляцией. Интересно, что Слава Муханов — один из первых, кто сделал прогнозы на основе инфляции — не подписал. И это не потому, что его не спросили. В энергичной речи, произнесенной на конференции, посвященной дню рождения Стивена Хокинга, Муханов ясно дал понять, что считает большую часть моделей инфляции пустой тратой времени.
Я согласен с оценкой Муханова. Статья Штейнхардта и других действительно не является шедевром научного письма. К сожалению, они используют SciAm для продвижения другой теории о начале вселенной, а не придерживаются своей критики инфляции. Но критика давно назрела.
Проблема с инфляцией не в самой идее, а в избытке бесполезных моделей инфляции. Их буквально сотни, и они, как говорят философы, сильно недоопределены. Это означает, что если экстраполировать модели, соответствующие текущим данным, на еще не проверенные режимы, результат будет неоднозначным. Разные модели приводят к очень разным прогнозам для еще не сделанных наблюдений. На данный момент бессмысленно заниматься деталями инфляции, потому что можно придумать буквально бесконечное количество моделей, дающих бесконечное множество различных "прогнозов".
Вместо того чтобы бороться с этой проблемой избыточного производства, однако, Штейнхардт и другие в своей статье в SciAm сосредотачиваются на неудачах инфляции в решении проблем, для которых она была предназначена. Однако эта критика не по адресу, потому что проблемы, которые должна была решить инфляция, на самом деле не являются проблемами.
Я серьезно. Давайте рассмотрим их по одной:
Проблема монополей:
Гут изобрел инфляцию для решения "проблемы монополей" (в частности магнитных). Если в ранней вселенной произошел фазовый переход, например, из-за нарушения симметрии великого объединения, тогда топологические дефекты, такие как монополи, должны были бы производиться обильно. Однако мы их не видим. Инфляция разбавляет плотность монополей (и других проблем), так что вряд ли мы когда-либо столкнемся с одним из них.
Но правдоподобное объяснение того, почему мы не видим монополей, заключается в том, что их нет. Мы не знаем, была ли какая-либо великая симметрия, нарушенная в ранней вселенной, или если она была, мы не знаем, когда она была нарушена, или если нарушение произошло, то произвело ли оно какие-либо дефекты. Действительно, все поиски доказательств великой симметрии — в основном через распад протона — оказались безуспешными. Эта мотивация интересна сегодня только по историческим причинам.
Проблема плоскости
Проблема плоскости — это проблема точной настройки. Вселенная в настоящее время, по-видимому, почти плоская, или если у нее есть какая-то пространственная кривизна, то эта кривизна должна быть очень мала. Однако вклад кривизны в динамику вселенной увеличивается по значимости по сравнению с вкладом материи. Это означает, что если сегодня кривизна мала, то в прошлом она должна была быть еще меньше. Инфляция служит для того, чтобы сделать любой начальный вклад кривизны меньше примерно на 100 порядков величины.
Это должно быть объяснением, но оно ничего не объясняет, потому что теперь вы можете спросить, почему исходная кривизна не была больше какого-то другого числа? Причина, по которой некоторые физики считают, что здесь что-то объясняется, заключается в том, что числа, близкие к 1, считаются красивыми согласно современным стандартам красоты, в то время как числа, гораздо меньшие 1, не считаются таковыми. Проблема плоскости, таким образом, является проблемой эстетики, и я не думаю, что это аргумент, который ученый должен принимать всерьез.
Проблема горизонта
Космическое микроволновое фоновое излучение (CMB или реликтовое измлучение) имеет почти одинаковую температуру во всех направлениях. Проблема в том, что если вы проследите происхождение фонового излучения без инфляции, то окажется, что излучение, достигшее нас из разных направлений, никогда не было в причинно-следственной связи друг с другом. Почему же тогда оно имеет одинаковую температуру во всех направлениях?
Чтобы понять, почему это не проблема, нужно знать, как работают теории, которые мы в настоящее время используем в физике. У нас есть уравнение — "дифференциальное уравнение" — которое говорит нам, как система (например, вселенная) меняется из одного места в другое и из одного момента времени в другой. Однако для того чтобы воспользоваться этим уравнением, нам также нужны начальные значения или "начальные условия".
Проблема горизонта задает вопрос "почему это начальное условие" для вселенной. Этот вопрос оправдан, если начальное условие сложно в том смысле, что требует много информации. Но однородная температура не сложна. Это драматически просто. И не только нет много чего объяснять, инфляция даже не отвечает на вопрос "почему это начальное условие", потому что она все равно требует начального условия. Это просто другое начальное условие. Оно не проще и ничего не объясняет.
Другой способ увидеть, что это не проблема: если бы вы вернулись во времени достаточно далеко без инфляции, вы бы в конечном итоге достигли периода, когда материя была настолько плотной, а кривизна настолько высокой, что квантовая гравитация была бы важна. И что мы знаем о вероятности начальных условий в теории квантовой гравитации? Ничего. Совершенно ничего.
То, что нам нужна квантовая гравитация для объяснения начального состояния вселенной, однако, является крайне непопулярной точкой зрения, потому что ничего нельзя вычислить и никаких предсказаний сделать нельзя.
С другой стороны, инфляция — замечательная продуктивная модель, которая позволяет космологам плодить статьи.
Вы найдете вышеуказанные три проблемы, религиозно повторяемыми в качестве аргументации для инфляции, на лекциях и в учебниках, на популярных научных страницах повсюду. Но эти проблемы не являются проблемами, никогда не были проблемами и никогда не требовали решения.
Хотя инфляция была неправильно мотивирована, когда была задумана, оказалось, что позже она на самом деле решала некоторые реальные проблемы. Да, иногда физики работают над неправильными вещами по правильным причинам, и иногда они работают над правильными вещами по неправильным причинам. Инфляция — пример последнего.
Причины, по которым многие физики сегодня думают, что что-то вроде инфляции должно было произойти, не в том, что она якобы решает три вышеуказанные проблемы. Это потому, что некоторые особенности CMB имеют корреляции («TE-спектр мощности»), которые зависят от размера флуктуаций и подразумевают зависимость от размера вселенной. Эта корреляция, следовательно, не может быть легко объяснена простым выбором начального условия, поскольку это данные, которые возвращаются к разным временам. Это действительно говорит нам о том, как менялась вселенная с течением времени, а не только о том, откуда она началась.
Другие две убедительные особенности инфляции заключаются в том, что при довольно общих обстоятельствах модель также объясняет отсутствие определенных корреляций в CMB («негауссовости») и количество флуктуаций CMB любого размера, квантифицируемых тем, что известно как «масштабный коэффициент».
Но вот в чем загвоздка. Чтобы делать прогнозы с инфляцией, нельзя просто сказать: «Когда-то было экспоненциальное расширение, и оно как-то закончилось». Нет, чтобы что-то рассчитать, нужна математическая модель. Текущие модели для инфляции работают путем введения нового поля — «инфлатона» — и придают этому полю потенциальную энергию. Потенциальная энергия зависит от различных параметров. И эти параметры затем могут быть связаны с наблюдениями.
Научный подход к ситуации заключался бы в выборе модели, определении параметров, которые лучше всего соответствуют наблюдениям, и затем в корректировке модели по мере необходимости — то есть по мере поступления новых данных. Но это не то, что делают космологи сегодня. Вместо этого они создали так много вариантов моделей, что теперь могут «предсказать» практически всё, что может быть измерено в обозримом будущем.
Именно это изобилие бесполезных моделей порождает критику, что инфляция не является научной теорией. И с этой точки зрения критика оправдана. Это не хорошая научная практика. Это практика, которая, говоря прямо, стала обычным делом, потому что приводит к публикации статей, а не потому что продвигает науку.
Поэтому я был огорчен, увидев, что критика Штейнхардта, Иджас и Лоеба была так быстро отклонена сообществом, которое стало слишком уютно само с собой. Инфляция полезна, потому что связывает существующие наблюдения с основной математической моделью, да. Но у нас еще недостаточно данных, чтобы делать надежные прогнозы на ее основе. У нас даже недостаточно данных, чтобы убедительно исключить альтернативы.
За инфляцию не было присуждено Нобелевской премии, и я думаю, что Нобелевский комитет поступил правильно.
Нет предупреждающего знака, когда вы переходите границу между наукой и пустословием. Но строительство моделей инфляции давно оставило позади разумные научные спекуляции. Я, по крайней мере, рад, что хотя бы некоторые люди высказываются об этом. И вот почему я одобряю критику Штейнхардта и других.