Столкновение космологов: тридцать три богатыря против банды трех

Борис Штерн,
астрофизик, главный редактор ТрВ-Наука
«Троицкий вариант» №10(229), 23 мая 2017 года

В коллаже использован рисунок М. Пушкова

Раскольник

В февральском номере Scientific American (2017) вышла статья Anna Ijjas, Paul J. Steinhardt, Abraham Loeb с критикой теории космологической инфляции. Первый автор мало кому известен; последний, Абрахам Лёб, наоборот, весьма известен — он занимался довольно разнообразными задачами в разных областях, зачастую задачами весьма рискованными. Основной же вдохновитель статьи, судя по всему, Пол Стейнхардт: критика теории инфляции — его конек.

Как известно, космологическая инфляция — механизм, способный за ничтожные доли секунды из микроскопического зародыша создать огромную расширяющуюся Вселенную. О ней написано достаточно много популярных статей и книг, в том числе и автором данной заметки (см., например, «Прорыв за край мира»).

Пол Стейнхардт участвовал в разработке теории инфляции на ее начальной стадии. С моей точки зрения, самое важное, что он сделал, — заметил, что в одной из ранних моделей из-за квантовых флуктуаций инфляция не может закончиться — будет продолжаться вечно. Он расценил это как фатальный недостаток теории, и лишь позже Андрей Линде понял, что вечная инфляция, во-первых, весьма универсальна — работает в разных предположениях; во-вторых, снимает ряд проблем теории и производит грандиозный эффект в виде бесконечного множества Вселенных, а также дает ключ к решению парадокса под названием «антропный принцип».

Рисунок Андрея Линде к одной из презентаций.
Слева: проблемы со старыми моделями инфляции. Справа: вечная инфляция с мультивселенной решает все проблемы

Со временем Пол Стейнхардт превратился из сторонника теории инфляции в яростного ее противника. Он разработал альтернативный сценарий под названием «экпиротическая Вселенная» (в переводе с греческого — «вышедшая из огня»). В первом варианте сценария предполагалось, что наша Вселенная — трехмерная пленка (брана), вложенная в пространство большего числа измерений. Большой взрыв — это столкновение двух бран, отчего происходит разогрев. Андрей Линде с Ренатой Каллош и Львом Кофманом размазали эту теорию по стенке в статье, озаглавленной «Пиротехническая Вселенная» [1]. Они нашли кучу несообразностей: например, сталкивающиеся браны должны быть параллельны с точностью 10^-60 на расстоянии на 30 порядков больше, чем зазор между ними.

Пол не сдался и разработал новый экпиротический сценарий, который в основном повторял хорошо известный издавна сценарий отскока: сжатие протовселенной, переходящее в расширение новой вселенной без инфляции. Там требовалось довольно дикое уравнение состояния материи, но всё равно оставались проблемы с устойчивостью. Экпиротическая Вселенная так и осталась в подвешенном состоянии, но Пол Стейнхардт упрям...

Данные WMAP и «Планка» по реликтовому излучению дали, как ему кажется, новый аргумент против теории инфляции. На самом деле как раз наоборот — эти данные с блеском подтвердили предсказания теории. Кроме одного пункта: реликтовые гравитационные волны.

Что исследовали микроволновые телескопы WMAP и «Планк», снимая карту реликтового излучения? Фактически — неоднородности пространства, возникшие в самой ранней Вселенной, как квантовые флуктуации. Исследовали их не напрямую: непосредственно виден довольно сложный результат эволюции этих неоднородностей в ходе метаморфоз Вселенной.

Здесь есть тонкости. Любое искажение пространства можно разложить на скалярные и тензорные составляющие (моды). Скалярные — меняют плотность энергии. Оказывается, при переходе от инфляционной к фридмановской стадии расширения (что, собственно, и есть Большой взрыв) скалярные возмущения усиливаются. Насколько — зависит от конкретного механизма инфляции (инфлатона). Именно скалярные возмущения мы и видим в первую очередь, исследуя карту реликтового излучения. Тензорные моды не меняют плотности — это, по сути, реликтовые гравитационные волны, и они не усиливаются при окончании инфляции. Интересно, что в моделях, альтернативных теории инфляции, скалярные моды тоже возникают и усиливаются, но тензорных в них вообще нет. Гравитационные волны можно обнаружить по реликтовому излучению, по его поляризации, но сделать это не так просто. Мы видим усиленные скалярные возмущения, но не знаем коэффициента усиления и потому не знаем амплитуды неусиленных реликтовых гравитационных волн.

Простейший вариант инфлатона — скалярное поле с квадратичной зависимостью потенциала от напряженности — уже отбракован результатами «Планка». Это вариант с наименьшим усилением, где амплитуда гравитационных волн должна быть порядка 20% от амплитуды возмущений плотности. Данные уже запрещают такую амплитуду.

Я посвятил проблеме реликтовых гравитационных волн длинный абзац, поскольку она и есть самый драматичный узел в теории инфляции на сегодняшний день. И конечно, Пол Стейнхардт был вдохновлен: раз самый простой вариант инфляции отвергнут, значит, теория теряет почву под ногами. На самом деле отвергнут хоть и самый простой, но далеко не самый естественный вариант. Так, в модели Алексея Старобинского, где инфляция получается из первых принципов — как влияние кривизны пространства на физические поля в нем, где не требуется никаких дополнительных сущностей, — гравитационные волны довольно слабы и смогут быть обнаружены не раньше чем через десяток лет. Есть еще несколько более-менее естественных вариантов теории, предсказывающих слабые гравитационные волны.

Как бы там ни было, Стейнхардт с теми же соавторами на эту тему опубликовал е-принт arXiv:1402.6980, где упоминает, что подвергся критике Алана Гута с соавторами и Андрея Линде, но продолжает стоять на своем.

Апелляция к народу

И вот спустя три года после той полемики, которая шла на научном языке, Стейнхардт с теми же соавторами обращается к широкой публике на страницах Scientific American с критикой теории инфляции уже на уровне популярных метафор [2]. Это считается не очень хорошим приемом: не убедив профессионалов, апеллировать к публике. Пару слов об аргументации.

Конечно, там идет тот же мотив, что упомянут выше, — простейшая модель инфляции отвергнута, что означает мощный удар по теории. Но это не единственный довод.

Вот довольно близкое к тексту сжатое изложение фрагмента статьи.

Представим себя оракулом, владеющим теорией инфляции, но ничего не знающим о нашей Вселенной.

Можем ли мы предсказать число и распределение галактик в пространстве? Нет!

Можем ли мы предсказать кривизну пространства? Нет!

Предсказать количество материи или других форм энергии, что составляют Вселенную? Нет!

Можем ли мы объяснить, как образовался тот зародыш Вселенной, с которого началась инфляция? Нет!

Это типичный пример демагогии с передергиванием.

Число и распределение галактик в пространстве удается правдоподобно воспроизвести из первых принципов, хотя такой параметр, как начальная амплитуда возмущений, вытаскивается из наблюдений — это свободный параметр.

Кривизну пространства теория инфляции замечательно предсказывает — она неотличима от нуля.

Предсказание соотношения разных форм материи и энергии лежит вне рамок теории инфляции — это другая область науки. Теория не обязана предсказывать всё на свете. Хотя сумму разных форм материи и энергии она предсказывает правильно.

Как образовался зародыш Вселенной — это тоже вопрос вне рамок теории инфляции. Хуже того, это вопрос вне рамок современной науки, поскольку должен опираться на квантовую гравитацию — науку, которой еще нет. Достижение теории инфляции как раз в том, что она отодвинула сферу нашего непонимания от мистических начальных условий Большого взрыва до микроскопического зародыша пространства.

В статье также используется вывернутая логика: космологическая инфляция может генерировать разные вселенные с разными свойствами, особенно в варианте вечной инфляции. Там есть свободные параметры и даже возможны разные варианты физики. То есть теория не обладает предсказательной силой.

Это примерно то же самое, как обвинить современную теорию образования планетных систем в том, что она предсказывает не только нашу Солнечную систему, но и множество других, непохожих на нее систем. Разница лишь в том, что другие планетные системы мы видим, а другие вселенные — нет. Тем не менее есть пять достаточно общих предсказаний; четыре из них прекрасно выполнились в нашей вселенной, пятое — на очереди.

Еще один довод Стейнхардта с соавторами: есть такие (витиеватые. — Б. Ш.) варианты теории, где и эти четыре подтвердившихся предсказания могут быть несправедливы. И что с того? Если есть способ испортить теорию, добавляя в нее лишние сущности, это не аргумент против исходной теории. Общую теорию относительности сколько раз пытались испортить.

Коллективное письмо

Ответить «банде трех» было довольно просто — на языке аргументов, понятных достаточно широкому слою образованных читателей. Эти аргументы есть, они высказывались много раз тем же Андреем Линде или Вячеславом Мухановым и в общих чертах приведены выше. Но отцы-основатели теории инфляции пошли другим путем — собрали компанию гораздо большего размера и веса: 33 знаменитых физика-теоретика, включая четырех нобелевских лауреатов, Стивена Хокинга, Эдварда Виттена и прочих знаменитостей, и опубликовали ответную статью в том же Scientific American [3].

Публикация конечно правильная, хотя и слабей, чем могла бы быть: некоторые аргументы смазаны. Но гораздо хуже то, что подобная статья — плохой жанр. По сути, это коллективное письмо. Там, где хорошо работают аргументы, используется массовость и вес подписантов. Это допустимо, например, когда требуется повлиять на власть, но никак не в научном споре.

Есть и другое соображение: «тяжесть» авторского коллектива работает как реклама — дескать, раз против этих ребят ополчились такие силы, значит, они далеко не столь просты. Насколько мне известно, основной автор и инициатор — Алан Гут. Андрей Линде поддержал его. Алексей Старобинский тоже подписал письмо. А Вячеслав Муханов, один из основателей теории инфляции, не подписал — примерно по тем же причинам, что сформулированы выше.

То есть на неадекватную апелляцию к публике последовала, на мой взгляд, неадекватная реакция в виде коллективного письма.

О публичных дискуссиях

В данном случае сыграла роль застарелая проблема — недостаток культуры взаимодействия ученых с широкой публикой. Тут явно были нарушены некие правила «хорошего тона», которые, увы, недостаточно ясно «прописаны» в сознании научной общественности. Значит ли это, что публичных дискуссий ученых по спорным вопросам надо избегать? Ни в коей мере! Есть исторические примеры замечательных публичных дискуссий профессионалов, которые происходили в реальном времени лицом к лицу. Такие как дискуссия Дона Лэмба и Богдана Пачинского о происхождении гамма-всплесков. Это было в середине 1990-х годов — тогда появились первые указания на то, что источники гамма-всплесков лежат на огромных космологических расстояниях. Дон Лэмб защищал галактическую гипотезу, Богдан Пачинский — космологическую. Оба выступали с блеском. Широкая публика внимала с огромным интересом. Есть и другие яркие примеры публичных дискуссий. Тут главное условие — честность участников, их способность избегать демагогии и принимать аргументы оппонента.

Между прочим, публичная дискуссия между сторонником теории инфляции и скептиком уже имела место, хотя и не стала столь известной. Это был диспут в Политехническом музее между Игорем Ткачёвым (за теорию инфляции) и Валерием Рубаковым (умеренный скептицизм, за поиск альтернативных вариантов), состоявшийся 31 марта 2010 года [4]. С моей точки зрения, идеальная пара для подобной дискуссии — Андрей Линде и Валерий Рубаков. Кстати, почему бы и не организовать ее на базе ТрВ?

1. Renata Kallosh, Lev Kofman and Andrei Linde. Pyrotechnic Universe
2. A Cosmic Controversy
3. Anna Ijjas, Paul J. Steinhardt, Abraham Loeb Cosmic Inflation Theory Faces Challenges
4. Видеозапись дебатов