Физики-теоретики Вячеслав Муханов и Алексей Старобинский получили престижную премию Грубера по космологии за 2013 год, составляющую 500 тыс. долларов на двоих. Борис Штерн переводит формулировку премии на простой язык: «За радикальный вклад в понимание того, откуда взялась Вселенная и ее структура».
Вселенная возникла в результате Большого взрыва. Эта теория получила прекрасное подтверждение в середине 1960-х годов, когда удалось открыть реликтовое излучение (микроволновый фон). Однако оставалось несколько убийственных вопросов, на которые не было ответа. Вот некоторые из них.
1. Вселенная удивительно велика и динамически сбалансирована. Чтобы она смогла стать такой, как есть, ее скорость расширения и плотность в первые мгновения должны быть выверены с невероятной точностью — 10–50. Что дало такую точность?
2. Вселенная всюду одинакова на миллиардах световых лет. Между тем в первые мгновения ее жизни разные области, которые мы сейчас наблюдаем, «ничего не знали» друг о друге — не были причинно связаны. Что же так согласовало параметры Большого взрыва в причинно не связанных областях пространства?
3. Вселенная однородна на больших масштабах. Но, чтобы смогли образоваться галактики и их скопления, должны существовать первичные неоднородности. Откуда они взялись? Все эти вопросы с точки зрения теории Большого взрыва сводятся к начальным условиям: что так филигранно точно задало начальные условия Большого взрыва, что получилась огромная однородная Вселенная с галактиками?
Первые проблески понимания появились еще в конце 1960-х годов. Уравнения общей теории относительности устроены так, что если плотность энергии вакуума не равна нулю (например, из-за заполняющего его однородного физического поля), то гравитационный эффект от такого вакуума будет представлять собой не тяготение, а расталкивание — растяжение, раздувание самого пространства. Первым эту идею на уровне общих соображений высказал российский космолог Эраст Глинер в 1969 году. Но тогда ее не восприняли всерьез. Триумф этой идеи, которая получила название «космологической инфляции» и позволила ответить на перечисленные выше вопросы, на ступил в начале 1980-х годов. Приход новой космологической парадигмы традиционно ассоциируется с именем Алана Гута (Alan Guth), который опубликовал подробный сценарий инфляции, пусть и неправильный, но зато весьма наглядный. Он пришелся по вкусу физикам частиц, и ученые ринулись в эту область исследований.
Космологическая инфляция предшествовала Большому взрыву, и именно она задала для него начальные условия. На это хватило 10–34 секунд или даже меньше. Зародыш Вселенной размером около 10–29 см за это время успевает раздуться на десятки порядков величины. Однородность будущей Вселенной и баланс между плотностью и скоростью расширения обеспечиваются автоматически с огромной точностью. Теория весьма проста и многое объясняет, поэтому она вполне закономерно и быстро получила почти всеобщее признание. Но Алан Гут не был первым. Незадолго до него появилась работа о модели космологической инфляции. Эта модель проработана лучше и изящно справляется с той проблемой, о которую спотыкался сценарий Гута: переход от стадии инфляции к Большому взрыву, к горячей Вселенной, заполненной частицами. Автором этой модели был Алексей Старобинский. Модель Старобинского, как потом стало понятно, опередила время — она оказалась эквивалентной более поздним моделям инфляции, считающимся теперь самыми реалистичными, но в начале 1980-х годов она осталась почти незамеченной.
Механизм космологической инфляции решал и третий из перечисленных вопросов — откуда взялись первичные неоднородности во Вселенной. Оказывается, зародыши будущих галактик и их скоплений возникают как микроскопические квантовые флуктуации и растягиваются до огромных размеров. Как зависит контраст первичных неоднородностей от их размеров, иначе говоря, каков их спектр? Этот спектр, опираясь на только что опубликованную модель Старобинского, вычислили Вячеслав Муханов и Геннадий Чибисов.
Прошло 30 лет. Космические эксперименты WMAP и «Планк» (Planck) с высочайшей точностью измерили спектр неоднородностей реликтового излучения, который отражал те самые квантовые флуктуации плотности, растянутые на десятки порядков величины. Из данных этих экспериментов были получены и ограничения на реликтовые гравитационные волны, также связанные с механизмом инфляции. Оказалось, что большинство вариантов теории инфляции не вписывается в совокупность этих данных. А модель Старобинского, дополненная вычислениями Муханова и Чибисова, вписывается прекрасно. Так пришел звездный час работ, выполненных более четверти века назад.
