В космологии все проверяемо!
Запуск одного спутника связи окупил все затраты на астрономию за все предшествующие века
«Большая часть современной космологии, в частности аспекты, вдохновляемые теориями из физики элементарных частиц, объясняющими все, и другими эзотерическими идеями, на самом деле нелепа. Или скорее это ироническая наука, которую нельзя эмпирически протестировать или решить ее задачи даже в принципе, а поэтому это вовсе не наука в прямом смысле слова. Ее главнейшая функция держать нас в благоговении перед тайной космоса». С легкой руки американского научного журналиста Джона Хоргана, такой взгляд на современные фундаментальные исследования стал весьма популярным. Так ли это на самом деле? Об этом - наша беседа с Сергеем Ламзиным - доктором физико-математических наук, заместителем директора по научной работе Государственного астрономического института имени П.К.Штернберга МГУ. Этот старейший в стране институт астрономического профиля недавно отметил свое 175-летие.
- Сергей Анатольевич, когда я посмотрел тематику, которой ваш институт занимается, то, честно говоря, мною овладел легкий скепсис: 38 научных тем, от «теории вращения Земли» до «звездного населения ядер галактик». Не многовато ли для достаточно компактной - 203 исследователя и преподавателя - научной организации?
- Тут два аспекта. Первый - исторический: оно так сложилось. А второй аспект заключается вот в чем. Формально у нас в ГАИШ нет ни студентов, ни аспирантов - все они приписаны к физфаку МГУ. Но ГАИШ - часть университета. Именно потому, что мы ведем преподавательскую деятельность, широкий круг исследований нам необходим. Действительно, начиная от Земли, Солнечной системы и кончая космологией (то есть Вселенной в самом крупном масштабе) - в каждом из этих направлений у нас в институте есть специалисты. Причем во многих областях - специалисты мирового уровня.
У нас, например, работает Николай Иванович Шакура. Его статья, написанная совместно с известным российским астрономом Р.А.Сюняевым, - самая цитируемая в области астрономии: около четырех тысяч ссылок. Более цитируемой работы по астрономии сейчас нет в мире…
- А чему была посвящена их работа?
- Так называемым аккреционным дискам. Это дискообразные газовые структуры, которые возникают вокруг самых разных астрофизических объектов. Например, все орбиты планет нашей Солнечной системы лежат практически в одной плоскости. Значит, они образовались из такого протопланетного диска. Сейчас такие диски мы уже видим вокруг многих звезд. Часть газа из них падает на центральную звезду. Шакура и Сюняев первыми дали теоретическое описание этого процесса. Правда, все это придумывалось для черных дыр и нейтронных звезд, но потом выяснилось, что эта теория применима для очень широкого спектра астрофизических объектов - в квазарах, в центральных областях галактик, у совсем молодых звезд тоже есть такие аккреционные диски.
Вы упомянули вращение Земли. Сейчас создана самая точная теория этого явления. За эту работу сотрудник ГАИШ профессор В.Е.Жаров в составе интернациональной группы был удостоен премии Евросоюза имени Рене Декарта (2003 г.). Кстати, эта работа чрезвычайно важна с прикладной точки зрения. Без точной теории вращения Земли уже невозможно определять координаты с той точностью, которая нужна в приложениях: если вы ведете автомобиль, то вам нужно знать с точностью до метра, где будет поворот! То есть системы глобального позиционирования - ни GPS, ни ГЛОНАС - не могут работать без учета эффектов вращения Земли.
Создание спутников связи, без которых сейчас мы уже не мыслим своего существования, телекоммуникационных спутников - все это было бы невозможно без астрономии. Я считаю, что запуск спутников связи окупил все затраты на астрономию за все предшествующие века.
- В плане научно-исследовательских работ ГАИШ мне бросилось в глаза отсутствие некоторых, модных даже среди обывателей, направлений - Большой Взрыв, например…
- Все эти понятия «зашиты» в темы с другими названиями. Конечно, мы занимаемся этим. И, более того, еще как занимаемся! Тут можно даже пожаловаться на судьбу… Дело в том, что мимо нас «пролетели» две Нобелевские премии.
Как известно, за открытие и изучение реликтового излучения были получены две Нобелевские премии: в 1978 году (американцы Арно Пензиас и Роберт Вильсон) и вторая - в 2006 году (опять американцы - Джон Мазер и Джордж Смут). История открытия этого излучения такова.
Предсказал его еще в 40-е годы прошлого века американский физик-теоретик, эмигрировавший в США из России, Георгий Гамов. Из его модели «горячей Вселенной» вытекало существование некоего излучения, образовавшегося в момент Большого Взрыва. А само название - «реликтовое излучение» - придумал, кстати, сотрудник ГАИШ, член-корреспондент АН СССР И.С.Шкловский. Затем в 1950-е годы советский инженер Т.А.Шмаонов, испытывая радиоантенну, это излучение обнаружил. Правда, он не понял, что именно открыл. Тем не менее результаты его работы были опубликованы в журнале «Приборы и техника эксперимента». Естественно, для астрономов этот журнал непрофильный, они его не читают. Так эта работа осталась не замеченной астрономами.
А в начале 1960-х годов выпускник Физтеха А.Г.Дорошкевич и выпускник физфака МГУ И.Д.Новиков предсказали, где и как искать реликтовое излучение - в радиодиапазоне; дали точные характеристики этого излучения.
То есть реликтовое излучение было предсказано нашими учеными и теоретически, и обнаружено экспериментально! Но судьба не свела этих исследователей в нужном месте в нужное время. В итоге - Нобелевскую премию получили Пензиас и Вильсон.
- А тот наш радиоинженер?
- Лет через десять он случайно узнал про открытие реликтового излучения и рассказал о своем давнем открытии Игорю Дмитриевичу Новикову, представил оттиск своей работы… Можете себе представить, как они были расстроены…
В 1980-х годах стали обсуждать тонкие детали реликтового излучения (оказалось, что оно только в первом приближении изотропно, однородно)… Но, во-первых, еще А.Д.Сахаров предсказал квантовые осцилляции. Потом ученый из Института космических исследований РАН И.А.Струков поставил эксперимент, в интерпретации результатов которого участвовал также сотрудник ГАИШ М.В.Сажин. И они открыли то, что спустя полгода обнаружили американцы Дж. Мазер и Дж. Смут. Вернее, коллективы, работавшие под их руководством. Но мы были первыми! Первыми опубликовали эти результаты. А Нобелевскую премию получили только американцы.
- Раз уж вы упомянули Михаила Васильевича Сажина, я позволю себе привести цитату из его чрезвычайно интересной книги «Современная космология в популярном изложении». Он пишет: «Человеческий язык слишком беден для того, чтобы описать физические и космологические явления без привлечения математики. Не всегда помогают и аналогии, а для некоторых процессов аналогии из обыденной жизни просто отсутствуют… В принципе сейчас космология начинает описывать события, которые являются принципиально ненаблюдаемыми с точки зрения современной физики, процессы, свидетельства о которых надежно скрыты от нас толщами сверхвещества и сверхвысоких температур». Не превращается ли современная теоретическая астрономия, космология прежде всего, в эзотерику?
- Нет, никоим образом. Обратите внимание на название книги Сажина - «Современная космология». Подчеркиваю - «современная»… Здесь можно привести вот какой пример. Допустим, вы смотрите на Солнце. Центр его вы не видите - слой вещества, отделяющий центр от поверхности, такой толстый, что свет, выходящий из центра Солнца, до нас не доходит. Этот разнесчастный квант бессчетное количество раз поглощается по дороге к поверхности Солнца. Мы видим только поверхность Солнца, самые внешние его слои. Казалось бы, заглянуть внутрь нашей звезды принципиально невозможно, и пятьдесят лет назад так и было написано во всех учебниках астрономии.
Но после этого появились нейтринные телескопы. Они способны улавливать нейтрино, вылетающие как раз из центра Солнца. Нейтрино свободно прошивают всю солнечную толщу! Значит, мы уже имеем возможность заглядывать в центр нашей звезды. Во-вторых, появились методы гелиосейсмологии, когда по колебаниям Солнца удается восстановить распределение параметров. Кстати, у нас в ГАИШ есть группа, которая занимается гелиосейсмологией, и занимается на мировом уровне. Сейчас мы можем говорить о распределении параметров по всей толщине Солнца с точностью до одного процента!
То же самое с космологией. Реликтовое излучение - остатки очень горячего излучения. Когда-то газ, из которого теперь состоит все вещество галактик, звезд и всех объектов во Вселенной (так называемая барионная компонента), был гораздо плотнее и был непрозрачным для излучения. Заглянуть, что было внутри этого сгустка, - невозможно. После начала расширения Вселенной вещество стало прозрачным. Мы все это сейчас наблюдаем: если следить за очень далекими галактиками, то в какой-то момент мы наткнемся на тот момент, когда Вселенная представляла из себя непрозрачный огненный шар. Но зато нейтрино вполне могут проникнуть внутрь этого шара. Если мы создадим телескопы, которые смогут ловить такие нейтрино… Но это не завтрашний день. И даже - не послезавтрашний.
- Как вы считаете, теория Big Bang (Большого Взрыва) - это окончательная теория космологии? Известный английский астрофизик Фред Хойл, например, упорно отказывался принять идею Большого Взрыва. Хотя, кажется, это именно он в 1950 году и предложил сам термин - Big Bang.
- С тех пор, когда Хойл обсуждал теорию Большого Взрыва, прошло уже много времени. И отношение ученых к этой модели, и сама модель сильно изменились. Если раньше считали, что вся Вселенная родилась из точки, то сейчас уже идет разговор о том, что имеется так называемая пространственно-временная пена, из которой рождается множество вселенных. То, что мы наблюдаем, - это наш родной «пузырь», внутри которого мы сидим… А что с другими пузырями, еще надо разобраться. Экзотики тут очень много!
Но я хочу подчеркнуть, что эта проблема поддается наблюдательному изучению. Это вопрос времени. Вот в этом я абсолютно точно уверен. И эта уверенность базируется на том, что было очень много совершенно загадочных вещей, и всегда наука выбиралась из этого положения, причем исключительно рациональным путем. Астрономы действительно видят эволюцию звезд! Как они рождаются, живут и умирают. Видят! Наблюдательно подтверждено, что физика работает не только в земной лаборатории, она работает во всех точках Вселенной.
- Известный американский научный журналист, сам в прошлом физик, Джон Хорган уверен: «Космология, несмотря на тесную связь с физикой элементарных частиц, самой болезненно точной из наук, сама от точности далека».
- Современная космология действительно очень тесно смыкается с физикой элементарных частиц. И самые передовые космологические идеи имеют непосредственное отношение к идеям из физики элементарных частиц. Астрономы, например, с нетерпением ждут, когда же будет запущен в ЦЕРНе Большой адронный коллайдер (LHC) - ускоритель, который позволит, как надеются, открыть давно теоретически предсказанный хиггсовский бозон и другие элементарные частицы, что позволит понять, почему во Вселенной практически нет антивещества. С другой стороны, недавние исследования по сверхновым звездам показали, что Вселенная не только не замедляется в своем расширении, она ускоряется! Это то, что называется инфляционным развитием. Отсюда следует, что есть какой-то принципиально новый вид материи, которая, обладая свойством антигравитации, ускоряет расширение Вселенной, - фундаментальный вывод, весьма важный для специалистов по физике элементарных частиц. Определив из наблюдений характер инфляционного расширения, можно будет понять свойства темной материи и темной энергии.
Но вернемся к цитате из Хоргана. Сейчас, используя результаты наблюдений со спутников «Реликт», WMAP и других, удалось вычислить среднюю плотность Вселенной с точностью 1-2 процента. Это что - не точность?! То же самое - с постоянной Хаббла, характеризующей возраст Вселенной: сейчас она измерена с точностью порядка пяти процентов.
Лев Ландау еще в начале 1960-х годов сказал: «Мощь современной науки такова, что сейчас мы можем понять даже то, чего не можем себе представить». Невозможно представить, как электрон, грубо говоря, способен пролететь через две дырки одновременно (эффект дифракции электронов), но это не мешает вам пользоваться полупроводниковой техникой, создание которой было бы невозможно без квантовой механики.
Космологи не могут похвастаться тем, что на основе их теорий создается бытовая техника, однако выводы современной космологии, относящиеся, например, к обилию легких элементов во Вселенной, количественно подтверждены астрономическими наблюдениями далеких звезд и галактик. Так что уже сегодня космология - это наука точная, а в будущем станет еще точнее.