50. Интервью с адвокатом дьявола

Иногда, особенно к концу, полезно становиться и отрефлексировать: не слишком ли мы увлеклись одной стороной картины? Не слишком ли тешим себя тем, что всё ясно и прозрачно? В таком случае полезно поговорить с умным человеком, который берет на себя роль адвоката дьявола.

Борис Штерн: Я попробую сделать сильное утверждение: теория космологической инфляции благодаря WMAP и «Планку» утвердилось настолько, что ее можно считать победившей окончательно и бесповоротно.

Адвокат дьявола: Когда мне говорят, что теория инфляции доказана, я обычно отвечаю, что это не теорема. Да, свидетельств в ее пользу много, но «окончательно и бесповоротно» — это перебор.

Б. Ш.: Хорошо, давай по порядку. Перечислим подтвержденные предсказания теории инфляции так, как это сделал Вячеслав Муханов в интервью (глава 41). Предсказано, что Вселенная с подавляющей вероятностью должна быть неотличима от абсолютно «плоской». Подтверждено с точностью около процента.

А. Д.: Во всех альтернативных теориях Вселенная тоже получается «плоской», иначе такие теории никто и рассматривать не стал бы.

Б. Ш.: Хорошо, к тому, как это получается в альтернативных теориях, вернемся позже. А сейчас — предсказание спектра мощности неоднородностей плотности. Теория инфляции предсказывает почти плоский спектр — он и есть почти плоский. Предсказано, что он чуть-чуть отличается от плоского — он и отличается на столько, на сколько предсказано.

А. Д.: Плоский спектр проистекает из общего свойства масштабной инвариантности. Это естественное свойство и некоторых других теорий. А отклонение спектра от плоского может появиться как небольшое нарушение этой самой инвариантности — тоже ничего сверхъестественного, многие симметрии в природе нарушены.

Б. Ш.: Дальше у нас гауссовость. Анизотропия аналогична белому шуму. Предсказали — подтвердили, во всяком случае, подтвердили на уровне, который закрывает целый ряд хитрых моделей.

А. Д.: Если амплитуда возмущений 10^-5, то и негауссовость должна быть маленькой. Да, есть модели, где она велика, но это отнюдь не абсолютный индикатор инфляции. Например, конформная симметрия дает малую негауссовость. Между прочим, негауссовость, если ее на каком-то уровне обнаружат, может оказаться очень информативной. Это ведь не число -это функция, корреляционная функция. По ее виду можно судить о теории, работавшей в момент генерации неоднородностей.

Б. Ш.: Дальше адиабатичность. Еще одно подтвержденное предсказание.

А. Д.: Ну, это общее место. Почти в любой модели есть адиабатичность. Достаточно, чтобы в начале горячей стадии было полное термодинамическое равновесие — дальше всё пойдет как по рельсам. Почти в любой модели есть адиабатичность.

Б. Ш.: Хорошо. Дошли до последнего следствия — гравитационных волн. Если результат BICEP2 верен — вопрос закрыт. Но предлагаю считать, что его не стоит использовать как аргумент в споре на данный момент — слишком много неясностей и подозрений. Слишком велики шансы, что эффект проистекает от поляризованной пыли в близкой оболочке сверхновой. Итак, есть предсказание гравитационных волн, но нет четких предсказаний на их амплитуду. Почему именно гравитационные волны так важны?

А. Д.: Гравитационные волны были бы прямым указанием на высокий энергетический масштаб: сгенерировать гравитационные волны достаточной амплитуды можно только при плотности энергии, не слишком сильно отстоящей от планковской. Или очень большой постоянной Хаббла, что то же самое. А это и будет значить, что идет инфляция.

Б. Ш.: Предположим такое. Пройдет несколько месяцев. «Планк» выдаст результаты по поляризации, и окажется, что результат BICEP2 объясняется пылью, а В-мода на уровне, доступном для нынешних установок, отсутствует. Тогда следующим перспективным уровнем окажется r ~ 0,5%, как это предсказывает модель Старобинского, хиггсовская инфляция и еще целый ряд моделей. Андрей Линде считает, что попадание предсказаний целого ряда очень разных моделей в одну точку — некая подсказка.

А. Д.: Да, вполне возможно, что подсказка…

Б. Ш.: Ну так вот, вдруг окажется, что реликтовых гравитационных волн на уровне нескольких процентов нет. Тогда придется ждать эксперимента PRISM, который достанет до уровня модели Старобинского и других. Но ждать придется довольно долго. Если так случится, будет ли это означать, что теория инфляции останется подвешенной на годы?

А. Д.: Да, останется подвешенной, в том смысле, что альтернативные модели останутся актуальными. Впрочем, в теории инфляции есть элемент, который не имеет реальных альтернатив. Это механизм генерации возмущений, рассчитанный Мухановым и Чибисовым, — усиление вакуумных квантовых флуктуаций скалярного поля. Другого механизма никто не предложил, и во всех альтернативных моделях используется именно он.

Б. Ш.: Перейдем к альтернативам. У многих на слуху экпиротическая модель. Пиротехническая, как назвал ее Андрей Линде. Есть еще модели с отскоком…

А. Д.: Экпиротическая модель и есть одна из моделей с отскоком. Там в чем проблема? Если при расширении вселенной рост возмущений происходит не очень быстро, то при сжатии перед отскоком он резко усиливается. И всё, за что борются, — несингулярное однородное состояние — ломается. Вселенная перед отскоком становится сильно неоднородной и хаотичной — совсем не то, что нужно, Это, кстати, давно известный результат Белинского, Лифшица и Халатникова. Чтобы этого избежать, придумали очень жесткое уравнение состояния: давление больше плотности энергии со знаком плюс.

Б. Ш.: Надо же такое придумать! Но Андрей говорил, что эту модель не спасает ничего — он считает это социологическим явлением, когда люди создают себе замкнутую экологическую нишу и цитируют друг друга.

А. Д.: Да, жесткое уравнение состояния не спасает — там остается неустойчивость по Ляпунову — малейшее отклонение начального параметра от требуемого значения растет и уводит систему совсем не туда, куда хочется.

Б. Ш.: Ну какая же альтернатива тогда жизнеспособна?

А. Д.: Моя любимая альтернатива — старт с конформной симметрии. Есть конформно-симметричные теории поля…

Б. Ш.: Инвариантные относительно растяжений масштаба?

А. Д.: Да, но не только. Там целый класс преобразований. Но, главное, там действительно нет выделенного масштаба.

Б. Ш.: Но квантовая механика-то есть? А если есть квантовая механика, у любой частицы с массой есть комптоновский радиус.

А. Д.: При конформной симметрии нет частиц с массой, которые, конечно, эту симметрию бы нарушили.

Б. Ш.: Ну, хорошо, но планковский размер-то есть! Вот и выделенный масштаб!

А. Д.: Планковский масштаб связан с гравитацией. Гравитация тоже нарушает конформную симметрию. Предполагается, что изначально пространство пустое и гравитации нет. Потом эта симметрия спонтанно нарушается — появляется гравитация, частицы и всё остальное.

Б. Ш.: Подожди, это происходит одновременно во всем пространстве? А как же проблема горизонта? Как причинно не связанные области узнают, что надо нарушать симметрию вместе с другими? Та же самая проблема, что стояла до инфляции.

А. Д.: А здесь опять конформная симметрия работает. Нет выделенного масштаба — нет проблемы горизонта!

Б. ШИ после нарушения симметрии оно разогревается и выходит на стадию Фридмана? А как получается, что оно правильно выходит — почему Вселенная «плоская» оказывается?

А. Д.: Точно так же. Радиус кривизны — уже выделенный масштаб. Нет выделенного масштаба — нет кривизны.

Б. Ш.: Очень круто! Дай прийти в себя… Я не могу спорить по поводу работоспособности тех или иных моделей в силу непрофессионализма в этом деле. Но хочу призвать в помощь старика Оккама. Мое утверждение: теория инфляции требует наименьших усилий по части привлечения новых сущностей. Более того, я бы отдал предпочтение тем моделям инфляции, которым новые сущности нужны в наименьшей степени. С этой точки зрения лидер — модель Старобинского, там вообще ничего не нужно, работают все существующие поля. А вот хиггсовскую инфляцию, я бы, наоборот, понизил в ранге. Там требуется особое взаимодействие поля Хиггса с гравитацией. При том, что общая теория относительности строилась как геометрическая теория — в основе был принцип универсальности: все формы материи равны перед гравитацией. А тут получается, что поле Хиггса равнее всех. Оккам был бы против. Инфляция со скалярным полем уже проще — есть идея великого объединения, где требуется подходящее поле, т.е. новая сущность тут более востребована. Ну и, конечно, модель Старобинского еще проще в этом плане. Я имею в виду идеологическую простоту с точки зрения критерия Оккама, а не техническую.

А. Д.: Это верно. Но все-таки везде свои проблемы. Та же модель Алексея. Почему именно R², а не какая-то другая функция f(R)?

Б. Ш.: Ну, R² — просто следующий член разложения.

А. Д.: На самом деле следующие члены типа R⁴ тоже могут быть большими. Впрочем, ладно, наверное это уже брюзжание. Модель хорошая. Но еще раз повторю: теория инфляции, какой бы привлекательной и многообещающей она ни была, не теорема. Ее нельзя считать окончательно и бесповоротно утвердившейся пока не зарегистрировали гравитационные волны. И до той поры надо продолжать попытки развивать альтернативы.

С точки зрения автора адвокат дьявола выполнил свою миссию лишь отчасти. Он не поколебал уверенности в том, что теория инфляции и есть ответ на вопрос «Откуда взялась Вселенная?» — слишком много у нее достоинств. С другой стороны, автор соглашается, что:

• риторика типа «доказано», «окончательно и бесповоротно» неправомерна;

• альтернативы в данном случае — полезное и правильное занятие. Даже если все они однажды будут отвергнуты. Останется опыт и возможные побочные продукты.