Черные дыры в квантовой пене: Вячеслав Муханов (Ольга Орлова)

«Однажды в детстве я возвращался с отцом домой. Взглянув на ночное небо, которое в тот момент выглядело особенно прекрасным, я спросил отца: „А что там?“ Он ответил: „Никто не знает. И никто никогда не узнает“. Если бы сегодня он был жив, я бы с ним сильно поспорил».

Отцу этого мальчика, к сожалению, не суждено было узнать, что его сын вырастет и станет одним из тех, кто дал несколько внятных ответов на вопросы, что же там на самом деле и откуда все это взялось. Имя Вячеслава Федоровича Муханова вошло в историю научных открытий, соединивших микрокосм и макрокосм.

Среди 40 000 жителей города Канаш Чувашской АССР школьник Слава Муханов был в местном магазине чуть ли не единственным покупателем книг по физике и математике, написанных Джоном Уилером, Рихардом Курантом, Яковом Зельдовичем. Сейчас это кажется дважды невероятным. Во-первых, потому что тогда и в столичных городах, где потенциальных читателей этих авторов нашлось бы куда больше, такие книги были в дефиците. А во-вторых, потому что этот книжный магазин, как и тысячи других по всей России, сегодня закрыт. Нерентабельно.

Но тогда никто ничему не удивлялся. Жители СССР знали, что в провинциальных книжных магазинах можно найти запрещенную цензурой поэзию и философию, редкие детективы и выдающиеся научные издания. И у кого-то, как в случае с Мухановым, эти книги меняли судьбу. Иначе как объяснить все, что произошло с ним потом?

Родители Славы не имели высшего образования и еще в раннем детстве сказали ему, что в университете он учиться не будет, поскольку в семье «нет денег на взятку». К тому же ни одного вуза в Канаше не было и до сих пор нет — ближайший университет находится в Чебоксарах. Поэтому ребенок читал научные книги просто из любознательности, и именно они, а не школьные уроки, которые были довольно слабыми и скучными, позволили ему пройти собеседование, чтобы попасть в Колмогоровский физико-математический интернат.

Впрочем, Колмогоровским он тогда не назывался, поскольку его основатель академик Андрей Николаевич Колмогоров был еще жив и даже спас школьника Муханова на вступительном экзамене. Свирепые аспиранты, задававшие каверзные вопросы, уже собирались поставить парню двойку и отправить его восвояси, когда вмешался сам Колмогоров и попросил Муханова сформулировать теорему Дезарга. И после верного ответа, к изумлению и гордости родителей, велел принять абитуриента в московский интернат.

Эта система физико-математических интернатов, которая приказом Совета Министров СССР была создана в нескольких крупнейших городах страны — Ленинграде, Москве, Киеве и Новосибирске, а позднее в Ереване, Тбилиси и Чебоксарах, — ежегодно вывозила на большую научную землю сотни талантливых детей из городков и поселков Советского Союза. Многие из них сегодня работают в крупнейший университетах России и мира.

Вот и для Муханова физико-математическая школа № 18 (сегодня Специализированный учебный научный центр — СУНЦ) стала той отправной точкой, в которой началось формирование не только его научной биографии, но и мировоззрения.

В ФМШ приходили преподавать аспиранты, и многие из них были настроены антисоветски. Когда Слава Муханов, прежде отвечавший в Канашском райкоме комсомола за работу с молодежью, услышал от них, что «держать на Красной площади в мавзолее мумию Ленина — дикость из каменного века», он был несказанно удивлен. А еще через несколько месяцев про их класс уже передали репортаж по «вражеским голосам».

Скандал произошел в самом начале 1973 года. Старшеклассники интерната собрались на новогоднюю вечеринку. Им хотелось потанцевать подольше, но учителя — точнее, их женская половина, этому противились, требуя дискотеку побыстрее прекратить. Тогда дети запели «Интернационал», забаррикадировали двери в жилой корпус, развели прямо в здании костер и продолжили танцевать до утра. Более того, ребята собрали забастовочный комитет, сформулировали требования и решили объявить голодовку. Утром на завтрак никто не пришел. В полу зияла прожженная дыра. К обеду дети в столовой тоже не появились. Администрация начала переговоры с забастовщиками. Они требовали улучшения обращения и качества еды. А тут еще и «Голос Америки» сообщил, что забастовали «привилегированные мальчики Колмогорова».

Из МГУ приехала специальная комиссия во главе с самим академиком Колмогоровым. Конфликт уладили, никого выгонять не стали. Но поступать на мехмат зачинщикам так и не дали. Муханов был тогда участником событий, правда скорее как свидетель, чем организатор. В забастовочный комитет он не входил, в МГУ поступать не собирался, но некоторые выводы относительно советской системы на всю жизнь для себя сделал. «Видимо, в Советском Союзе, — скажет он позже, — существовало только два способа психологически выжить — стать либо алкоголиком, либо ученым. Я выбрал второй вариант».

В 1973 году Муханов поступил на факультет химической физики МФТИ, но довольно быстро начал пытаться перевестись на факультет общей и прикладной физики — знаменитый ФОПФ. «Я понял, что я теоретик, потому что все эксперименты у меня проваливались».

Однако попасть в теоретическую группу на кафедру к Гинзбургу было непростой задачей. Проректор Кузьмичев без всяких формальных объяснений стоял насмерть. Вскоре настырный студент отловил в коридоре ректора Белоцерковского и стал уговаривать: я хочу заниматься настоящей наукой, переведите меня к Гинзбургу! Белоцерковский сдался и написал декану ФОПФ Игорю Радкевичу записку: «Если да, то готовьте приказ». Радкевич опять ссылался на Кузьмичева: без его согласия никак, поэтому ни да ни нет. И вновь все по кругу целый месяц. Студент Муханов знал, что сейчас решается его судьба, и чтобы не сойти с ума, с утра до ночи читал Джека Лондона. Пока наконец, профессор ФОПФ Владимир Сазонов не сказал: «С тебя ящик пива», — и показал приказ, на котором очень неразборчиво Кузьмичев написал: «Согласен». Так что плата за открытую дверь в большую науку оказалась невелика.

На теоретической кафедре руководителем Муханова поначалу был Леонид Моисеевич Озерной, который дал ему тему образования галактик. Но вскоре Озерной засобирался в эмиграцию. Об ученике он побеспокоился заранее и передал руководство над ним Виталию Лазаревичу Гинзбургу. Академик тут же заявил, что его главная задача — не мешать Муханову работать. Эту задачу учитель честно выполнил. А ученик, как в итоге выяснится, его не подвел. Пройдет 20 лет, и Муханов станет для Гинзбурга авторитетным экспертом в области космологии. Вот какой эпизод пересказывает Артур Чернин, профессор ГАИШ:

Москва, Физический институт РАН, зима 1999 года. Виталий Лазаревич Гинзбург самым длинным ключом из большой связки отпирает висячий замок на дверях его рабочего кабинета:

— Пришлось повесить амбарный замок после того, как из этой комнаты украли принтер (ксерокс?).

Он пригласил к себе для разговора трех физиков, занимающихся космологией:

— Время от времени слышу об инфляции, но все не могу понять толком, что в ней такого. И почему она необычайно популярна? В чем там дело, если по сути?

Виталий Лазаревич слушал ответы на эти вопросы, задавал новые, но к концу беседы был разочарован, едва ли не рассержен:

— В общем, я мало чего нового усвоил. Хочу поговорить еще со Славой Мухановым, он квалифицированный человек, я ему тоже доверяю.

Между первыми работами по теории квантовых космологических возмущений и 1999 годом, который описывает Чернин, когда уже были получены первые экспериментальные подтверждения этой теории, целая эпопея, одну из основных глав в которую впишет как раз Муханов.

У меня никогда не было слишком высокого мнения о моих собственных способностях, — вспоминает Муханов, — и сначала я решил выбрать поле, которое не требовало сложной математики и где уровень высокомерия был не таким высоким, как, например, в физике частиц. Поэтому я стал астрофизиком, мечтая, что со временем смогу перейти к общей теории относительности и космологии. Однако даже в мечтах я не мог себе представить, что теоретическая космология станет моей главной профессией в будущем. Более того, я думал, что хорошие времена могут скоро закончиться и вскоре я могу попасть в какой-то военный институт, чтобы там заняться полезной, но дерьмовой скучной работой. Поэтому я старался не думать о будущем, я жил полностью настоящим, наслаждаясь физикой, насколько мог.

В начале аспирантуры Муханов уже опубликовал две астрофизические работы по образованию галактик, которые были непосредственно связаны с наблюдениями. Но тут Геннадий Чибисов, научный сотрудник теоротдела ФИАН, который был старше Муханова на 10 лет, предложил Вячеславу совместно проанализировать, нельзя ли из квантовых возмущений образовать галактики, чтобы объяснить происхождение структуры Вселенной. Когда Муханов спросил его, почему же этого никто не делал раньше, Чибисов пожал плечами: видимо, никто не озаботился.

Действительно, задача требовала нетривиальных вычислений и знания теории квантовых полей. Однако в то время большинство физиков-теоретиков предпочитали либо делать формальные вещи, либо работать в физике частиц, потому что космология — наука о Вселенной в целом и ее происхождении — при полном отсутствии эксперимента и убедительных наблюдений не воспринималась многими физиками серьезно. Как ее только ни называли — «наука о ненаблюдаемом», «ненаучная фантастика»… Однако эта всеобщая ирония не сбивала с толку нескольких упрямцев, в число которых входили Чибисов и Муханов.

В течение целого года я проводил расчеты, которые выглядели ужасно. Много раз я думал о том, чтобы прекратить счет. Возможно, если бы я знал о знаменитой речи Уинстона Черчилля 1941 года «Никогда не сдавайтесь!», мне было бы не так тяжело… Не знаю почему, но я все равно не бросил работу и весной 1980 года с удивлением заметил, что длинные формулы внезапно стали короткими и теория квантовых космологических возмущений была по существу закончена. Следующие два месяца я пытался применить формальный метод и найти определенную модель, где эти вычисления могли бы быть полезны. Выяснялось, что ничего не работает, и казалось, что год был потрачен впустую. Но через два месяца мы начали обсуждать с Чибисовым единственный оставшийся вариант: что произойдет, если мы предположим, что в очень отдаленном прошлом (сразу после Большого взрыва) гравитация действовала как отталкивающая сила (антигравитация). И это сработало! Таким образом, в середине 1980 года мы однозначно знали, что квантовые флуктуации могут в принципе быть полезными только в том случае, если Вселенная прошла стадию ускоренного расширения.

Этот результат был представлен в препринте ФИАН имени П. Н. Лебедева на английском языке в 1980 году. Подходящая модель, где можно было применить эту теорию, уже существовала: в 1979 году Алексей Старобинский, который пытался решить проблему сингулярности (когда все физические величины стали немыслимыми и выходили из-под контроля), нашел модель, в которой поляризованный физический вакуум имитировал требуемое состояние антигравитации. В середине 1980 года Чибисов и Муханов выполнили расчеты в этой модели. А в конце 1980 года смогли получить конечный результат:

Лешина модель оказалась именно той моделью, которая была нам нужна, и позволяла посчитать детальную картину неоднородностей (флуктуаций), без которых сегодняшнего мира не было бы. Идея состояла в том, что первоначальные неоднородности, какими бы они ни были, на этой стадии полностью сглаживались. Чего эта стадия не могла устранить, так это квантовых флуктуаций, существование которых неизбежно благодаря самому фундаментальному принципу квантовой физики — принципу неопределенности Гейзенберга. Мы показали, что на стадии ускоренного расширения Вселенной фундаментальные неизбежные квантовые неоднородности усиливаются ровно настолько, насколько это нужно для того, чтобы впоследствии из них получились галактики и другие структуры во Вселенной. Без них наша Вселенная напоминала бы пустыню.

О том же Муханов вспоминал, беседуя с Борисом Штерном:

В декабре 1980 года я решил посмотреть, что происходит с квантовыми флуктуациями в модели, которую предложил Старобинский, с тем, чтобы решить проблему начальной сингулярности. В этой модели предполагалось, что вселенная бесконечно долго находилась в деситтеровском состоянии, а уже потом образовалась наша Вселенная. В результате наших расчетов оказалось, что квантовые флуктуации разрушают деситтеровскую вселенную за довольно короткое время, и таким образом проблему сингулярности оказалось решить нельзя. Так что если иметь в виду первоначальную цель этой модели, то мы ее закрыли. С другой стороны, мы нашли, что если предположить, что по каким-либо причинам Вселенная все же прошла в течение короткого времени через такую стадию, то проблема образования галактик решена. Квантовые флуктуации действительно усиливаются и ведут в дальнейшем к галактикам и в конечном итоге к жизни. На этот раз я не рискнул послать статью за границу, и она была опубликована в «Письмах в ЖЭТФ» в мае 1981 года. В этой статье нам удалось полностью предсказать спектр возмущений, который удалось померить только спустя 30 лет в экспериментах WMAP и Planck. Наблюдения блестяще подтвердили наши с Чибисовым предсказания 30-летней давности.

Тот памятный 1981 год аспирант второго года Муханов уехал встречать к родителям в Канаш и, отказавшись от встречи с друзьями детства, всю новогоднюю ночь посвятил вычислениям. В Москву он вернулся с основой для гипотезы возникновения крупномасштабной структуры Вселенной (галактик) из квантовых флуктуаций. Теперь публикации Муханова и Чибисова тех лет стали классикой современной космологии.

С 1982 по 1991 год Муханов работал в Институте ядерных исследований РАН под руководством Моисея Маркова и занимался интерпретацией квантовой механики, а также разработкой квантовой теории космологических возмущений, применимой для вычисления неоднородностей в различных инфляционных моделях Вселенной.

Что касается инфляции и квантового происхождения галактик, то это в высшей степени удивительно, что единственное предположение о том, что наша Вселенная прошла в прошлом через стадию темной энергии, которая усилила квантовые возмущения, привело к пяти четким предсказаниям:

1. Вселенная с высокой точностью «плоская».

2. Возмущения плотности — чисто адиабатические.

3. Они же — гауссовы.

4. Начальный спектр возмущений слегка (логарифмически) растет с масштабом.

5. Существуют первичные гравитационные волны.

Тогда еще никто не знал, что уже через несколько лет в космологии начнется новая эра — эра экспериментального подтверждения квантового происхождения структуры Вселенной.

В 1988 году благодаря протекции Маркова Муханов первый раз выехал за границу в Международный центр теоретической физики в Триесте, которым руководил нобелевский лауреат Абдус Салам. И вопреки своим ожидания был не особо впечатлен научной атмосферой.

Большая теоретическая физика в Советском Союзе, — вспоминает Муханов, — в наши дни была сосредоточена главным образом вокруг нескольких ключевых академиков, таких как Гинзбург, Зельдович, Марков, Сахаров, Халатников, Мигдал и другие. Все они считались равными среди равных без доминирующего человека и имели довольно дружеские отношения. Поэтому научная атмосфера была гораздо более демократичной и здоровой по сравнению с той, которую я нашел после отъезда из Советского Союза. Должен сказать, что после переезда на Запад я не нашел ни одного места на земном шаре, которое могло бы конкурировать с Москвой 80-х годов относительно концентрации интеллекта и научной атмосферы.

Первая поездка в Америку состоялась тоже в 1988 году, уже благодаря содействию Андрея Линде, который на Фридмановской конференции попросил Майка Тернера, знаменитого чикагского космолога, автора термина «темная материя», пригласить Муханова на семинар по космологии.

А в 1992 году Муханову, тогда уже доктору физико-математических наук, поступило предложение поработать два года в Швейцарии. Деньги были по швейцарским меркам не очень большие, но для любого советского ученого начала 1990-х — сумасшедшие. Целых 57 000 швейцарских франков в год. Чтобы купить билеты всей семье, пришлось продать компьютер. А через два года швейцарцы продлили контракт еще на три года. И наконец, в 1997 году Муханов получил предложение возглавить кафедру астрофизики и космологии в одном из лучших университетов Германии — Мюнхенском университете имени Людвига IX и Максимилиана I.

Свой первый доклад на немецком я просто выучил наизусть. Мой приятель из Цюриха Натан Полянски помог мне его написать, расставил правильно ударения и помог отрепетировать произношение.

Впоследствии, в конце 1990-х, Муханов совместно с известным израильским ученым Яаковом Бекенштейном разрабатывал теорию излучения квантовых черных дыр. Вместе с французским ученым Тибо Дамуром предложил теорию к-инфляции. Также вместе с американским космологом Полом Стейнхардом была предложена модель объяснения темной энергии в сегодняшней Вселенной, широко известная как k-essence.

Не так давно совместно с французским математиком Аленом Коном и ливанским физиком Али Шамсидином Муханов попытался объяснить существование темной материи с точки зрения некоммутативной геометрии.

За те 25 лет, что Муханов живет и работает в Европе, случилось то, что редко случается в течение одной человеческой жизни: космология превратилась в полноценную науку, потому что целый ряд экспериментов подтвердил предсказания космологов.

Спутник COBE (1989–1992) показал, что мы действительно живем в горячей расширяющейся Вселенной и даже видим галактические зародыши, которые существовали, когда Вселенной было всего 380 000 лет.

В экспериментах Saskatoon, TOCO и Boomerang (1996–2003) удалось установить плоскостность нашей Вселенной с точностью до 2 % — в блестящем соответствии с предсказанием теории инфляции.

В эксперименте WMAP (2001–2009) найдены указания на логарифмический спектр возмущений, предсказанный Мухановым и Чибисовым в 1981 году.

В эксперименте Planck (2009–2013) достоверно установлено наличие этого логарифмического спектра и подтверждены другие свойства космологических возмущений, которые однозначно свидетельствуют об их квантовом происхождении.

Эти невероятные по масштабам события в истории мировой науки произошли с такой скоростью благодаря теоретической смелости нескольких научных гипотез 1970-х и невероятному технологическому прогрессу начала 2000-х.

В Мюнхенском университете кабинет № 327 профессора Муханова, расположенный на третьем этаже, найти легко — по устойчивому табачному запаху. Среди его аспирантов по-прежнему много выпускников физтеха, словно он и не покидал Россию. Хотя на родине на самом деле бывает не так уж часто — раз в год навещает родных в Канаше и иногда участвует в московских конференциях.

Муханов — лауреат премий Тамалла, Блеза Паскаля, Фонда Грубера и BBVA Foundation, награжден медалями Амальди и Макса Планка. И нет сегодня ни одной популярной книги о происхождении Вселенной, в которой не упоминалось бы его имя. Он по-прежнему делает предсказания. Не только о прошлом Вселенной, но и о будущем.

Будущее Вселенной, — размышляет Муханов, — зависит от природы темной энергии. Если эта темная энергия не будет распадаться, то через миллиарды миллиардов лет ни одной галактики не будет видно на небе. Они все убегут за горизонт видимости, то есть небо в этом смысле обеднеет. Но и звезды к тому времени тоже погаснут. И ничего вообще не будет. С другой стороны, что за проблемы создать новую Вселенную… Одна исчезнет, другие появятся.

И в другой, новой Вселенной кто-то тоже начнет вглядываться в ночную темноту, чтобы понять: что там?..