Кризис квантовой модели Вселенной. Из книги "Пульсирующая Вселенная" Николая Горькавого⁠⁠

Во что веришь по-настоящему, это и существует.
Джеймс Джойс. «Улисс»

Учитывая правдоподобие вечной инфляции, я считаю, что скоро любая космологическая теория, не ведущая к вечному размножению вселенных, будет считаться невероятной, как вид бактерий, которые не могут размножаться.
Алан Гус (1997)

С начала 1980-х годов активно развивается концепция, по которой Вселенная является квантовым объектом, динамика которого, с самого рождения до настоящего времени, определяется такими гипотетическими квантовыми феноменами, как поле инфлатона, элементарные частицы ВИМПы и отрицательное давление вакуума. Все используемые в квантовой космологии сущности были введены без каких-либо серьезных теоретических или экспериментальных обоснований, но с большой надеждой на их получение в будущем. Прошло сорок лет после «взрывного» распространения этой инфляционной концепции, так что уже можно подвести определенный итог ее обоснованности.
ВИМПы для темной материи: не найдены

Интенсивные поиски WIMP большим количеством подземных экспериментов могут привести к их обнаружению в ближайшие годы или практически исключить существование этих частиц…
Ю. Куденко. «Троицкий вариант» (13 сентября 2011)

Гипотеза, что черные дыры — это темная материя, не исключена, но сейчас столбовая дорога по объяснению существования темной материи — новые частицы.
— Какой массы они могут быть?
— Любой.
Академик И. Ткачев отвечает на вопросы Б. Штерна
(«Троицкий вариант», 7 декабря 2021)

Следуя предсказаниям квантовых космологов (так как они были очень неконкретными — фактически «любыми», то их вернее назвать предчувствиями), уже несколько десятилетий подряд физики повсюду ищут ВИМПы — неуловимые частицы темной материи.

В разных странах организовано около десятка подземных лабораторий, которые спускают многотонные детекторы в шахты на глубины до двух километров в надежде зарегистрировать там загадочные частицы. Но ничего не получается. Детекторы темных частиц запускаются на воздушных шарах над Антарктидой и выводятся в космос — как в ходе кратковременных экспедиций, так и в качестве постоянных приборов. В 2011 году для поиска частиц темной материи на Международной космической станции был установлен бочкообразный альфа-спектрометр AMS-02 весом в 7,5 тонны и стоимостью два миллиарда долларов, что примерно в три раза больше, чем цена гравитационного детектора LIGO. Увы, в отличие от LIGO, постройка которого привела к грандиозному успеху (см. раздел 9.2), поиск частиц темной материи на AMS-02 оказался безрезультатным. Главная причина этого очевидна: если эксперимент LIGO был основан на теоретических расчетах и предсказаниях хорошо проверенной теории Эйнштейна, то все эксперименты по поиску элементарных частиц темной материи опирались лишь на многочисленные, но очень шаткие гипотезы.

Ученые проводили эксперименты по поиску темных частиц и на Большом адронном коллайдере (БАК) в Европе, бурно реагируя на любые признаки отклонения от Стандартной теории. В декабре 2015 года группа ученых, работавшая на БАК, сообщила о признаке существования новой частицы, которая не укладывалась в Стандартную теорию элементарных частиц. Результат имел невысокую статистическую достоверность, и в августе 2016 года эта же группа сделала вывод, что никакой новой частицы нет — приборы просто показали статистическую флуктуацию. Но для объяснения существования этой несуществующей частицы теоретиками за восемь месяцев было опубликовано 600 научных статей, включая публикации в самых престижных физических журналах. Был ряд подобных «темных» фальстартов на других инструментах, но все они закончились разочарованием.

В 2017 году я участвовал в конференции о «темной Вселенной» на французском острове Гваделупа. Сообщество сторонников темных частиц, собравшихся на конференции, впечатляло. Участники конференции были практически поголовно искателями частиц темной материи (ВИМПов, аксионов и других частиц). Они их искали везде — в подземных лабораториях, в космосе и на ускорителях. Мировую карту с десятком лабораторий гордо показывал каждый второй докладчик. Они искали эти темные частицы уже тридцать лет с нулевым успехом, но с большим бюджетом. От безрыбья они хватались за любую соломинку — например, загадочные годовые вариации в показаниях каких-то европейских приборов были объявлены возможными вариациями потока частиц темной материи из центра Галактики, хотя ежу понятно, что годовые вариации атмосферы тоже вызывают вариации локального мюонного потока — да мало ли сезонных факторов можно найти, которые могут повлиять на показания сверхчувствительных приборов. Отмечу, что попытки найти эти годовые вариации на аналогичных приборах, специально построенных для этой цели в других странах, оказались безуспешными. Эти неудачи вызвали скандальные сомнения в корректности методики оригинальных наблюдений, которая не отличается прозрачностью из-за каких-то секретных патентованных технологий.

На дискуссии в Гваделупе раздался робкий юный голос: что же нам делать, если уже все возможности для обнаружения WIMP исчерпаны? На что бодрые голоса постарше ответили, что далеко не все возможности испробованы, просто нужны новые эксперименты с лучшей чувствительностью. Детектор с тремя тоннами ксенона ничего не дает? Тогда нужно построить детектор в триста тонн! Будущие перспективы были усыпаны эпитетами: exciting, fascinating, amazing («волнующие, захватывающие, удивительные»). Было очевидно, что решение проблемы темной материи вне квантовой парадигмы (или вне концепции «темных» элементарных частиц) будет катастрофой для этих людей. Один докладчик начал свое выступление с категоричного заявления: «Я не собираюсь обсуждать, почему мы верим в темную материю из элементарных частиц». Действительно, альтернативы ВИМПам практически не рассматривались. Очевидно, что никакие научные доводы не изменят предубеждений фанатичных искателей темных частиц, которые даже не собираются рассматривать альтернативные варианты. Это сообщество будет существовать, пока есть питающий его денежный поток.

Обоснование квантовой космологии: отсутствует

Физики обсуждают разные типы гипотетических легких полей, энергия которых могла бы выступать в качестве темной энергии. В наиболее простом с теоретической точки зрения варианте плотность энергии нового поля убывает со временем. Для поля такого типа употребляют термин «квинтэссенция». Не исключена, однако, и обратная возможность, когда плотность энергии растет со временем; поле такого типа называют фантомом.
Академик В. Рубаков

Неизвестные эффекты контролируют вакуумную энергию, неизвестные поля создают квинтэссенцию, неизвестные эффекты связывают квинтэссенцию с плотностью материи во Вселенной.
Описание современной космологии по Кори Пауэлл

За последние 40 лет ни одна из основных гипотез квантовой космологии не получила своего обоснования. Как следует из обсуждения в предыдущем параграфе, элементарные частицы, которые отвечали бы за темную материю, не были найдены, при этом области возможных (еще не исследованных) значений масс и сечений рассеяний для ВИМПов кардинально сузились. Природа «заданного руками» инфлатона, ответственного за Большой взрыв, осталась такой же загадочной, как и в момент его сотворения. Хотя мощное начальное ускорение Вселенной решало проблему ее однородности и изотропии, впоследствии выяснились очень неприятные особенности такого решения. Например, «проблема начальных значений»: для получения современной Вселенной начальные условия в момент начала расширения должны быть заданы с точностью 10–79. Если начальная плотность отклонится от нужного значения на величину 10–79, то Вселенная станет совершенно иной: или разлетится практически в бесконечность к настоящему моменту, или (при отклонении в сторону чуть большей плотности) уже сколлапсирует. Стивен Хокинг пишет о проблеме начальных значений: «Если бы через секунду после Большого взрыва скорость расширения оказалась бы на одну сто-тысяча-миллион-миллионную меньше, то произошло бы повторное сжатие Вселенной, и она никогда бы не достигла своего современного состояния» (Хокинг С. «От большого взрыва до черных дыр», 1990).

Эта неприятность заставила инфляционистов генерировать огромное количество вселенных (фигурируют числа в 10500 миров и даже гораздо больше) — для получения хотя бы некоторых вселенных с приемлемыми условиями для жизни. Это использование антропного принципа5 в космологии выглядит очень спорно, как убедительно показано в работе M. Frankel «Fine Tuning», January 2022 (Foundational Questions Institute). Автор известного астрономического учебника Петер Шнайдер выразился иронично: антропный принцип можно рассматривать как «объяснение», но можно и как «капитуляцию».

Н. Турок и П. Стейнхардт пишут об инфляционной теории: «Инфляция была лидирующим сценарием ранней Вселенной в течение двух десятилетий и стала привычным элементом общепринятой космологической модели. Однако до сих пор теория не решила многих проблем.… Великая космологическая головоломка, начальная сингулярность — начало времени и образование наблюдаемого мира — остается столь же загадочной, как и всегда».

Гипотезе об отрицательном вакуумном давлении, которое должно объяснить наблюдаемую величину, космологическую постоянную и современное ускорение расширения Вселенной, уже больше 20 лет. Но не появилось никаких прорывных результатов, которые бы обосновали это антидавление вакуума. Надежды на теоретическое получение космологической постоянной из квантовых флуктуаций вакуума не оправдались: квантовая теория поля приводит или к нулевому значению космологической постоянной, или к значению, которое на 120 порядков превосходит наблюдаемое значение. Это известно как «самое плохое теоретическое предсказание в истории физики».

Трудной является и «проблема совпадения» (иногда ее называют проблемой Нэнси Кэрриган, по имени литературной героини, которую волновали схожие вопросы, хотя и не в области космологии). Согласно квантовой космологии, такие сущности, как темная энергия и темная материя, являются физически не связанными феноменами, которые определяются совершенно разными полями и сортами частиц. И тогда возникает вопрос: почему они совпадают по порядку величины?

Отсутствие теоретического обоснования мало смущает квантовых космологов: они часто утверждают, что их модели прекрасно согласуются с наблюдениями. Это, безусловно, миф. В настоящее время все космологические наблюдения хорошо описываются Стандартной космологической моделью, которая предполагает плоскую Вселенную с шестью свободными параметрами (например, барионная плотность, плотность темной материи и величина космологической постоянной), которые подбираются так, чтобы модель совпадала с наблюдениями. Эта модель основана на классических уравнениях Фридмана, и параметры этой модели носят феноменологический характер. Стандартную модель часто называют LCDM (Lambda-Cold Dark Matter) моделью. Она включает в себя плотность темной материи и величину космологической постоянной, но не делает никаких предположений о природе этих феноменов. Предположение о квантовой природе Вселенной не играет существенной роли в LCDM-модели — к ней могут приводить космологические теории разных типов.

Инфляционисты часто приводят наблюдаемый спектр флуктуаций реликтового излучения (см. рис. 2 и цветную илл. 7) в качестве своих достижений и подтверждения своих моделей. Но, как пишут в 2016 году в обзоре по космологиям отскока Р. Бранденбергер и П. Петер, «успешные предсказания, сделанные инфляцией для спектра космологических возмущений, не являются специфическими для инфляции. Фактически, за десятилетие до развития инфляционной космологии Сюняевым и Зельдовичем («Small-scale fluctuations of relic radiation», Astrophysics and Space Science, 1970), а также Пиблзом и Ю («Primeval adiabatic perturbation in an expanding universe», ApJ, 1970) было осознано, что приблизительный масштабно-инвариантный спектр адиабатических возмущений, которые присутствуют во времена равенства материи и излучения в суперхаббловских масштабах, приведет к масштабно-инвариантной асимптотике Сакса — Вольфа на больших углах и к акустическим колебаниям на шкале нескольких градусов в угловом спектре мощности реликтового излучения; это приведет к масштабно-инвариантному спектру мощности первичных флуктуаций плотности и наложенным барионным акустическим колебаниям малой амплитуды: все эти особенности сейчас наблюдаются».

Максимально упрощенное высказывание Бранденбергера — Петера означает следующее: все пики и провалы в распределении неоднородностей реликтового излучения, показанные на рис. 2, связаны с классической физикой акустических колебаний и т. д. Гипотезы квантовой инфляции влияют только на самые крупные флуктуации реликтового излучения (плато, отмеченное прямоугольником на графике рис. 2).

Современная квантовая космология — это дом без единого кирпича в фундаменте. Этот дом парит в воздухе лишь одной силой убежденности. Ученые, получившие университетское образование в последние десятилетия, выросли в атмосфере веры (не побоимся этого слова), что инфлатон, ВИМПы и прочие квантовые космические чудеса — это реальные и доказанные вещи. Ведь в этой области работают тысячи ученых, а бюджеты квантово-космологических исследований исчисляются миллиардами! Могут ли все они ошибаться? Да! Примеров массовой ошибочной увлеченности в истории науки — масса (например, теория эфира). У инфляционной модели столько свободных параметров (или вариантов модели), что позволяет подгонять эту теорию практически под любой набор эмпирических данных.

Предварительный заказ на книгу уже начался.