29 марта 2024, пятница, 08:53
TelegramVK.comTwitterYouTubeЯндекс.ДзенОдноклассники

НОВОСТИ

СТАТЬИ

PRO SCIENCE

МЕДЛЕННОЕ ЧТЕНИЕ

ЛЕКЦИИ

АВТОРЫ

26 июня 2006, 09:00

Лев Кофман: "Космология - это дом для всей физики"

 

Однажды герой романа Макса Фриша «Дон Жуан или любовь к геометрии»,  будучи на войне, получил приказ измерить параметры вражеской крепости. Дон Жуан не стал рисковать жизнью под вражескими пулями, а решил поставленную задачу геометрическим способом. Такова судьба любого  космолога -  измерять Вселенную, не покидая земной поверхности… О том, какова роль астрономических инструментов в работе теоретиков, и о других актуальных проблемах космологии Ольга Орлова побеседовала с  бывшим научным сотрудником Института Астрофизики в Тарту ( Эстония), учеником член.корр. РАН А.А. Старобинского из Института теоретической физики им. Ландау РАН, ныне зам. Директора Канадского Института Теоретической Астрофизики, профессором университета Торонто (Канада) Львом Кофманом.  

Изначально освоение космоса стало возможным только благодаря мощному научному рывку. Но сейчас, кажется,  космическая техника  не просто «работает» на науку, а  во многом определяет ее перспективы. До какой степени ученые-космологи зависимы от современного оборудования?

Ваш вопрос о технологиях в космосе, связан, прежде всего, с ближним космосом – спутниками и звездами. В 60-е годы  это было во всех отношениях передовая научная область, определявшая пафос тех лет. Сейчас очевидно, что ситуация изменилась: человечество уже не так внимательно следит, сколько космонавтов выходят на орбиту, сколько времени они проводят в открытом космосе и т.д. На ум приходит история географических открытий  в XVI веке, когда путешественники впервые обнаружили, что Земля огромна. Но вскоре, мы знаем, к этому  все привыкли, и началось практическое освоение земного пространства. Так и теперь, космическое пространство, когда-то с восторгом открытое, превратилось в особенную реальность, эксплуатируемую людьми. И если задаться вопросом о том,   а необходимо ли это для науки как таковой, то надо помнить, что фундаментальная наука давно не ограничивается лабораторной физикой. Она в себя  включает, в частности, космологию, и особенно физику ранней Вселенной. Мы (космологи) иногда в шутку называем Вселенную огромным ускорителем для бедных.

Почему?                                                                                                                 

Что мы делаем на ускорителе? Мы разгоняем и сталкиваем частицы, чтобы они максимально сильно ударились друг об друга и разлетелись на осколки. Таким образом мы видим, из чего они устроены. Поиск элементарных частиц ведет нас к пониманию, как устроен мир. Но наши средства всегда ограничены, ведь мы не можем построить ускоритель больше размеров Земли. А в дальнем космосе те же самые процессы осуществляются  «бесплатно» - там такие высокие температуры, которых мы ни представить, ни, тем более, воспроизвести не можем. Получается, что мы имеем дело с уникальным источником информации о физике элементарных частиц, так как для ученых все средства хороши. Люди всегда будут интересоваться космологией в том смысле, в каком она дает ответы на фундаментальные вопросы.  Современные астрономические средства, выведенные на орбиту, являются приборами, предназначенными изучать в том числе и фундаментальную физику. Обойтись без них сейчас не возможно.

Приведите, пожалуйста, конкретные примеры.

Использование космических лабораторий и спутников, находящихся в Солнечной системе, началось не так давно. Яркий пример – это метровый телескоп имени Хаббла, который находится на спутнике, вращающемся вокруг Земли. Он был запущен в 90-е годы, и на сегодняшний день представляет собой богатейшую астрономическую обсерваторию, поскольку дал огромное количество новой информации. Там, где он летает,  нет атмосферы, и значит, мы можем фотографировать интересующие нас объекты из телескопа гораздо меньших размеров, чем если бы мы их снимали на Земле. Есть планы делать телескопы следующего поколения для орбит, которые будут видеть еще дальше, чем сейчас.

Другой пример касается спутников, собирающих свет, но не только в оптическом интервале.  Свет, мы знаем, имеет волны разной длины, хотя своими глазами мы видим лишь маленькую часть этого спектра. Некоторые разновидности, такие, как инфракрасный свет, мы чувствуем как теплоту. А есть более короткое, чем видимый свет, излучение – ультрафиолетовое. Но общая гамма на самом деле невероятно широка. Поэтому есть и  рентгеновские телескопы, есть приборы для гамма-излучения, есть радио-телескопы, есть телескопы миллиметрового диапазона, обрабатывающие электромагнитное излучение длиной волны в миллиметр. Знаменитое космическое микроволновое излучение изучается именно такими телескопами. Прорыв в космологии, который произошел за последние 15 лет, как раз связан с тем, что были запущены спутники с телескопами, изучающими микроволновое космическое излучение. Впервые его наблюдали в знаменитом спутниковом проекте COBE. В каком-то смысле наша фантазия занята тем, какие еще мы можем телескопы запустить в космос.

Но не накладывает ли прямая зависимость от техники ограничение на научную фантазию?  Сложилась парадоксальная ситуация: новая техника не только создается под конкретную научную задачу, а также ставит новые проблемы.

Открытие анизотропии космического излучения как раз и имеет такую историю. Непонятно, что было раньше: теория или технология. Дело в том, что наше представление об устройстве Вселенной менялось. В  70-е годы ХХ века ученые думали, что Вселенная состоит из обычного вещества, которое может светиться. Для этой космологической модели предполагалось, что флуктуация (то есть максимальные отклонения) реликтового излучения на уровне 10-3. Чтобы вы представляли: если мы возьмем биллиардный шарик и станем его царапать, то размер  царапины был бы одна тысячная от размера этого шарика. Вот что означает малость этих неровностей. Соответственно строились телескопы, которыми предполагалось измерять флуктуации на этом уровне. Но они ничего не намерили. Затем сроились новые приборы, и тоже безрезультатно. Стало ясно,  что данная модель устройства Вселенной несовершенна. Тогда в 80-е годы была предложена новая теория, включающая в себя скрытое вещество и предсказывающее неоднородности на уровне 1 к 10 тысячам. Правильная теория, оказывается, дает неоднородность на уровне 1 к 100 тысячам.

Чья это была идея?

Точнее - это была целая цепочка разных моделей со скрытым веществом – «горячим» и «холодным». «Горячая» модель была предложена в СССР группой академика Я.Зельдовича, в которой участвовал и профессор С. Шандарин. А «холодная» модель была предложена канадскими  и американскими учеными. В частности, мой коллега по институту профессор Дик Бонд придумал сами термины – «холодное» и «горячее» вещество. Теория с «горячим» веществом предсказывала флуктуацию 10–4. Возвращаясь к примеру с биллиардным шаром:  царапинки на нем были бы одна десятитысячная от радиуса. «Холодная» же модель подразумевала флуктуацию 10-5. Но когда делали замеры, то сами флуктуации все равно не находили, а лишь предполагали верхние  пределы – т.е. выше чего они быть не могут. В тот момент для ученых сложилась фрустрирующая  ситуация. Наконец в 1992-году флуктуации были обнаружены на том уровне, который объяснялся моделью с «холодным» веществом. Правда, не самой ее экономичной версией – моделью, которая включала в себя так называемую «темную энергию». В то время физики не хотели вводить в оборот понятие «темной энергии», поскольку такие фундаментальные вещи не вводятся без глубоких причин. И уже в 1990-ых годах стали накапливаться факты, которые убедили ученых в том, что ее (темную энергию) просто необходимо ввести.

Сейчас технические достижения используют для подтверждения еще одной теории – гравитационных волн. Их пытаются измерить на Земле, поскольку в данном случае атмосфера не помеха, но для этого требуется широкая (в буквальном смысле)  база и потому гравитационноволновой телескоп должен быть очень большим. Сейчас такой наземный телескоп 4-х километровый, и больше его уже не сделать. А вот если вывезти на орбиту три спутника, то  они образуют очень большой треугольник – 100 тыс. км  (одна сторона), что дает нам новые возможности. Таким образом,  планируется  новый проект для измерения гравитационных волн.

Кто будет строить?

Коллаборация, в которой лидируют американцы. В России есть группа Брагинского с мировой известностью. И в этом смысле нашей фантазии не надо идти дальше. Потому что тут есть куда двигаться. Эти проекты безусловно дадут научные открытия.

То есть такие патовые ситуации, как в физике элементарных частиц – когда могут направления закрыть, если ускоритель новый ничего не даст, так как денег больше не собрать – вам такие перспективы пока не грозят? Вам в буквальном смысле есть куда двигаться – Вселенная бесконечна?

Да, нам ничего не грозит. Пока мы прогнозируем технологические проекты такого рода до 30-х годов XXI века.

В области космологии Америка сейчас безусловный лидер. А что собой представляет Канада?

Канада – маленькая страна, всего 30 с небольшим  миллионов жителей, но в области астрофизики она котируется под 3-м номером в мире. Уступая, кроме Штатов, пожалуй, только Англии. Одна из причин успеха Канады в этой области – вкладывание денег не в крупные проекты, а в людей.  В Канаде мощные теоретические центры, которые требуют меньших денег, чем строительство больших научных инструментов, но от которых очень большой коэффициент полезного действия. Разумеется, Канада участвует во многих современных астрофизических проектах. Как и Россия, впрочем, поскольку  имеет флот ракет, которые можно запускать на орбиту. Особенно тесны русские контакты с европейцами. Академик Рашид Сюняев, содиректор немецкого института астрофизики Макса Планка, осуществляет связь между русскими космическими технологиями и западными научными проектами.  

Не так давно СМИ рассказывали о группе исследователей под руководством доктора Дипто Чакрабарти из Массачусетского технологического института (MIT). Им удалось при помощи орбитального инфракрасного телескопа Спитцера открыть газо-пылевой (по всем признакам - протопланетный) диск у одного из объектов в созвездии Кассиопеи. Почему этого не видели раньше?

Данный телескоп работает в инфракрасной области, он очень мощный и многое может увидеть. И данное открытие является как раз иллюстрацией новых технических возможностей. Люди научились различать такие диски. Они очень маленькие по сравнению с массой самой звезды, но ученые считают их забавными – ведь в них могут образовываться планетки. 

А что указывает на то, что это именно протопланетный диск?

Для этого надо вспомнить, как образуется нейтронная звезда. Взрывается сверхновая звезда, и большая часть ее огромной массы выбрасывается в открытое пространство. Тогда на прежнем месте остается сжатый объект. И если масса этого сжатого объекта больше некоторой физической массы, то образуется черная дыра, а если  меньше – образуется нейтронная звезда. Нейтронная звезда  - это маленькая звезда диаметром около   10 км и массой порядка Солнечной массы. Плотность – как в ядре атома или выше. Вот такой получается уникальный объект, но это еще не все - от взрыва сверхновой звезды остаются так называемые «дебри».

Что это?

Это пыль, состоящая из тяжелых элементов: углерода, кислорода, железа, водорода, гелия. Часть из них может притягиваться обратно к звезде.  А поскольку звезда вращается, то дебри тоже будут увлечены этим вращением. И из-за центробежной силы во время вращения эти элементы превращаются в диск. Это универсальный механизм, можно сказать, что так же образуются звезды вроде Солнца или планетные системы вроде Солнечной. Любая протозвезда существует не в пустоте, а в среде из пыли и газа, и когда она сжимается и образует нормальную звезду, то ее всегда сопровождает процесс вращения, и она оказывается окруженной пылью и газом. Практически каждая звезда может иметь такой газо-пылевой диск.  Потом он постепенно охлаждается, и в нем могут образовываться планеты. Так, мы предполагаем, наша солнечная система и образовалась.

Как вы можете прокомментировать компьютерное моделирование роста Вселенной, о котором рассказывалось в последнем номере Nature  Там ведь речь шла о том, что современные космологические структуры - галактики и их кластеры – формировались из газовых "пузырей", которыми космос был наполнен спустя 300 млн. лет с момента Большого взрыва. И якобы произошло это все гораздо раньше, чем мы предполагали.

Есть крупномасштабная структура Вселенной, в которой задействовано то, что больше всего может гравитировать (притягивать). Больше всего в ней скрытой темной материи. Хотя мы и не знаем ее микрофизику, но мы предполагаем, что она состоит из реликтовых  осадочных частиц, оставшихся от ранней Вселенной. Частицы эти распределены неоднородно, они начинают стягиваться в объекты, которые изначально могут быть совсем малыми, потом объекты сливаются и образуют объекты большего размера. Возникает такое иерархическое скучивание. Наиболее впечатляющими будут скопления галактик темного вещества. Потом идут сами галактики – вроде нашей. Потом идут карликовые галактики. И так далее. И все это то, что мы могли бы различать, если бы имели «глаза», видящие темное вещество.  Глаз таких у нас нет, но по гравитационным  проявлениям мы можем судить насколько  наше моделирование адекватно, и сейчас оно очень удачно. Когда мы видим как пробные тела движутся в гравитационном поле, которое создается темным веществом, это подтверждает структуру этого скрытого темного вещества. Это первый слой. Но теперь мы добавим немножко вещества – те самые  4 процента во Вселенной, состоящие из протонов, нейтронов и электронов, которые уже могут светиться. Обычное вещество не доминирует по массе во Вселенной, но оно очень полезно. Из него состоят звезды.  С другой стороны физика обычного вещества сложней, там  имеют место такие вещи, как ударные волны, охлаждения, излучения цвета. Это новый уровень. Космологическая парадигма состоит в том, что у нас доминирует темная материя, которая может быть неоднородной и образовывать гало галактики. Эти гало  порождают гравитационное поле вокруг себя.  Обычное светящееся вещество сваливается в это гравитационное поле, захватывается им. Гало в нашей галактике притягивает вещество ближе к центру. Но дальше возникает вопрос: и как буквально оно работает? Как внутри этого скопления вещества образуются звезды? Как буквально эти звезды вспыхивают, перемешивают химические элементы? Это сложные нелинейные задачи. А точность ответа на них зависит от уровня численного расчета, который включает в себя нелинейную  физику светящегося Вещества.  И прогресс состоит в том, чтобы компьютеры были более быстрыми и ловкими. Так что результаты, описываемые в  упоминаемой вами статье, не изменили картину Вселенной, но существенно углубили. 

А о каких пузырях там идет речь?

Когда говорят о пузырях, которые образуются, то не имеют в виду гигантские пузыри между скоплениями галактик, а упоминают сравнительно маленькие пузыри  - с точки зрения космологии - внутри нашей солнечной системы. Это такая своеобразная внутренняя структура в межзвездной среде. Авторы статьи утверждают, что  они хорошо воспроизводят свойства так называемых эллиптических галактик (галактики делятся на спиральные и эллиптические). Спиральные галактики сплющенные и у них есть характерный узор спирали.

Наш предыдущий эксперт Сергей Шандарин пояснил разницу между астрофизикой и космологией. А как различать космологию и космогонию?   

Космогония – старое слово, относящееся к истории образования  планетных систем и галактики. А космология – это наука о строении Вселенной в целом.

Кроме физики элементарных частиц, с какими  еще научными дисциплинами космология непосредственно связана?

В свое время астрономия привела к развитию физики, математики. В таком же смысле космология сегодня относится к физике элементарных частиц, к теории гравитации, к численному моделированию.

А не наоборот? Если раньше из астрономии рождались научные области, то сейчас космология питается новыми направлениями?

Нет, не так. Если бы наша земля была огорожена зеркальной оболочкой, и мы не видели, что происходит в космосе, мы  не обнаружили бы темной материи, темной энергии, мы бы не знали, что вещества больше, чем антивещества и мы имели бы теоретическую картину в физике элементарных частиц, которая сильно отличалась от сегодняшней. Есть так называемая стандартная модель физики элементарных частиц, которая очень хороша, но внутри ее мы не можем объяснить темное вещество, мы не можем объяснить, почему нет антивещества в космосе, мы не можем объяснить сущность темной материи, а это очень обширная тема. Потому мы и ждем результатов большого адронного ускорителя в ЦЕРНе, что он как раз будет сталкивать частицы на энергиях, приближающихся к необходимым для образования скрытого вещества.  Или, например,  мы не можем объяснить  так называемую  инфляционную стадию очень ранней Вселенной. Каждая из этих причин очень серьезная проблема, заставляющая нас строить теорию вне стандартной модели. И все это диктуется астрофизикой и космологией. Они определяют физикам то, что является проблемой. 

Так же космологией стали увлекаться люди, которые  изучают теорию струн. Когда Вселенная была  на эмбриональной стадии, и масштабы Вселенной были столь маленькими, то мы оказываемся на территории, где оперируют теорией струн. Нам нужно теперь учить теорию струн, а это захватывающе интересные вещи. Ведь теория струн формулируется не в  4-х измерениях, а  в 10-ти.  мы должны постоянно учить новые вещи. Поэтому космология – это бесконечный источник новых физических задач. В каком-то смысле космология – дом для всей физики.

В этом одна из причин популярности космологии?

Да. Есть наука живая и есть мертвая. Термодинамика, скажем, сделана в 19 –м веке и ничего в  этой области не сделаешь. А интересно заниматься тем, что живо. Сейчас в космологию идет очень много молодежи в Америке, в Канаде и в Европе. Интересные ученые появляются в Испании, Португалии. Но, к сожалению, адекватного представительства от новой России в космологии  на мировом научном горизонте не видно. Хотя все понимают, что наука интернациональна. И надо различать утечку мозгов – что само по себе не есть хорошо и международное сотрудничество, что всегда замечательно.

История российское науки знавала периоды, когда становление российского ученого шло через иностранные школы – правда это было в XVIII веке…

Нет, почему же и в XX-м тоже. Наши физики-теоретики  Ландау, Гамов, провели не мало времени  на Западе. И еще мне кажется, что в  России вообще недостаточно популяризируют историю космологии.

Это модный сюжет в западных научно-популярных СМИ?

Чрезвычайно. Сейчас космологией интересуются все. Про черные дыры, про теорию струн снимаются фильмы, пишутся книжки. А ведь именно из России вышли такие ключевые в этой области фигуры, как Фридман, Гамов, Зельдович.

А сейчас где искать русские дарования ?  

В лесу, конечно (смеется). Мы с коллегами всегда отслеживаем, где есть таланты. Я помню, будучи молодым студентом, я задумывался: как бы мне попасть к такому-то профессору? А сейчас я понимаю, что все наоборот – зрелый ученый задумывается о том, где бы ему найти талантливого молодого ассистента. Если серьезно, то остались личные связи. Мы постоянно напоминаем нашим друзьям в России, чтобы их ученики подавали на позиции на Западе, в частности у нас. В нашем институте, например, большую часть исследователей составляют так называемые «постдоки» (молодые люди, только что защитившие диссертацию). Мы получаем около 200 заявлений в год на эти позиции.  Поэтому мне легко увидеть статистику – и качественную, и количественную. Молодым ученым из России необходимо больше ездить на конференции, смотреть, что происходит.

Но у них не так много для этого возможностей.

Да, перестать финансировать фундаментальную науку там, где есть мощные традиции, – это просто преступление. В науке не может быть перерывов, она либо живет, либо умирает. 

Редакция

Электронная почта: polit@polit.ru
VK.com Twitter Telegram YouTube Яндекс.Дзен Одноклассники
Свидетельство о регистрации средства массовой информации
Эл. № 77-8425 от 1 декабря 2003 года. Выдано министерством
Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и
средств массовой информации. Выходит с 21 февраля 1998 года.
При любом использовании материалов веб-сайта ссылка на Полит.ру обязательна.
При перепечатке в Интернете обязательна гиперссылка polit.ru.
Все права защищены и охраняются законом.
© Полит.ру, 1998–2024.