Вселенная из ничего? Как вселенная появилась из ничего.

О Большом взрыве, органическом бульоне, в котором зародилась жизнь, и эволюции человеческого мозга «Моя Планета» беседует с профессором Александром Капланом — автором научно-документального фильма «Эволюция. Все из ничего».

Этим летом на фестивале канал «Наука» представит фильм «Эволюция. Все из ничего» доктора биологических наук, профессора Александра Каплана. В киноленте ученый рассматривает самые популярные научные теории и доступно объясняет, как появилось все, что нас окружает каждый день: люди, предметы, дома, машины, воздух, Солнце, планеты и галактики.
В преддверии фестиваля редакции клуба «Моя Планета» удалось поговорить с автором фильма о теории Большого взрыва, бесконечности и всеобщей гармонии Вселенной.

— Сейчас вы заканчиваете съемки фильма «Эволюция. Все из ничего». Расскажите немного о фильме.

— Фильм «Эволюция. Все из ничего» — редкий пример телевизионного проекта: нам удалось рассказать о новейших научных открытиях и теориях доступным языком и из первых рук. В проекте о Вселенной и Земле рассказывают сами ученые — о происхождении Вселенной, Солнца, Земли и самой жизни на планете. Как «все» возникло из «ничего», что таится в пространстве между элементарными частицами и в «пустоте» между звездами. Наконец, как в конденсате воды на Земле, а может, и не только на Земле могли возникнуть органические процессы и структуры фантастической сложности, такие как синтез больших молекул из последовательностей аминокислот, кодируемых спиралями ДНК.

Гравитационное поле вокруг массивного скопления галактик, Abell 68

— Когда лично вы впервые задумались об устройстве Вселенной?

— Устройство Вселенной мне было понятно, по-видимому, с детства: множество звезд — это галактики, вокруг каждой звезды вращаются планеты, как наша Земля. Вокруг планет — спутники, как наша Луна. Наверное, в детском саду так объяснили. Но в 5-м или 6-м классе эта понятная для меня вселенская картина мира вмиг начала рассыпаться, когда учитель физики заявил, что космос бесконечен и безграничен.

Вот тогда я подумал и не смог себе представить нечто, что не имеет ни начала, ни границ. Позднее у меня возник другой вопрос: что находится между звездами и планетами? Если там нет воздуха, значит, там нет ничего? Как это, подумал я, звезды и планеты находятся в пустоте, а что такое пустота? Я не перестаю задавать эти вопросы. И на съемках фильма «Эволюция. Все из ничего» мне удалось их задать уважаемым мной ученым.

Млечный Путь

— И как вы сегодня с высоты опыта объясняете для себя, что значит «не иметь ни начала, ни конца»?

— Я придумал себе, что проще всего смириться с категорией «вечности» как длящегося с незапамятных веков времени. Сколько ни прибавляй секунд, недель, столетий к началу, все равно можно прибавить еще — вот вам и вечность. Тогда начало — это всего лишь общественный договор о том, где на оси вечности поставить точку отсчета. Нет начала, есть только выбор точки отсчета!

Важно понимать, что даже в своей профессиональной области ученые зачастую придумывают скорее отговорки, чем ответы на сложные вопросы, потому что им просто трудно жить среди недостроенных теорий, недоказанных теорем и непонятых явлений. Лучше уж придумать «теплород», «жизненную силу» или на худой конец — «торсионное поле», лишь бы не томиться «незнанием». Свою отговорку я вам уже рассказал.

Галактика

— Теория Большого взрыва — тоже такая отговорка?

— Пусть меня простят физики, но мне кажется, что теория Большого взрыва у них — такая же отговорка для самих себя, как у биологов теория эволюции. Просто обе теории покрывают объяснением большую часть известных фактов событий и явлений, и потому ничего большего ни о какой теории сказать нельзя. А сколько еще осталось неизвестных фактов, не говоря уже о том, что и известные факты зачастую выпирают вкривь и вкось из натянутых на них теорий.
Например, космический телескоп «Хаббл» показал, что фоновое реликтовое излучение слишком неравномерно, чтобы считаться эхом Большого взрыва. Может, и не было момента сингулярности и самого Большого взрыва? Однако в этом вопросе последнее слово за астрофизиками.

— Если объяснить теорию Большого взрыва простыми словами, как бы вы о ней рассказали?

— Я бы не стал жонглировать категорией «из ничего», рассказал бы, как из очень малого могло появиться астрономически большое. Спрессованная в малом объеме гигантская энергия взрывом вырвалась и сотворила адекватное своей мощи расширяющееся пространство! Но долго расширяться такое пространство не сможет, так как заданный Большим взрывом импульс движения постепенно истощится и силы притяжения вновь заставят материю сжиматься, задавая ей импульс движения в обратном направлении.

Думаю, в 5-м классе мне бы хотелось услышать от учителя физики такое объяснение.

Звездный питомник туманности Киля

— Какие еще из гипотез, объясняющих происхождение Земли и появление жизни, вам кажутся убедительными?

— Если говорить о Земле, то мне понятно объяснение ее формирования из сгустка бешено вращающегося плоского газопылевого облака, центр которого постепенно становился все больше и больше и в конце концов отделился от основного диска, превратившись в Солнце, а сгустки диска распались на планеты.
Что касается появления жизни на Земле, то мне больше нравится думать, что она имеет земное происхождение. Времени было достаточно, почти 5 млрд лет, чтобы в океанском бульоне из всякой органики появились стабильные пузырьки с внутренней средой, отличной от мирового океана. Дальше — дело времени: эта внутренняя среда стала не только высокотехнологичной биохимической машиной, не только высокоэффективным анализатором параметров внешней среды, но и создала совершенно уникальный нематериальный продукт — психический мир человека. Мир, в котором мы можем проигрывать варианты прошлого и будущего, чтобы жизнь в настоящем приобретала для нас смысл.

Устройство Вселенной напоминает систему нейронов в головном мозге человека

— Казалось бы, наука уже знает ответы почти на все вопросы. Почему ученые все-таки не могут сойтись во мнении о том, как произошла наша Вселенная?

— С одной стороны, так же как и печень, и селезенка, и легкие, мозг человека — это продукт эволюции, который сформировался, чтобы способствовать процессам адаптации человека для жизни на Земле. Наш мозг был заточен эволюцией на понимание того мира, в котором мы живем.

Я не уверен, что наш мозг приспособлен для размышлений о том, что именно было до Большого взрыва и есть ли что-то за пределами нашей Вселенной, так как ему незачем было приспосабливаться к решению этих задачек.
С другой — меня удивляет и невероятно вдохновляет то, что события, произошедшие во Вселенной и невообразимо отдаленные от кабинетов ученых, вполне эффективно становятся сегодня «нашего ума делом»! Мозг человека, эволюционно приспособленный к рутинной жизни на Земле, оказывается, может мысленно проникать в микро- и макрокосмос, искать и находить там закономерности Вселенной, имея всего лишь земной научный опыт.
Не это ли есть свидетельство всеобщей гармонии Вселенной, свойства которой проявляются во всех пространствах и временах ее существования, и потому она может быть познаваема, с какого бы края ни взяться за ее изучение, даже с планеты Земля.

Смотрите фильм «Эволюция. Все из ничего»:

В новом сезоне тему возникновения и развития Вселенной в эфире «Науки» продолжит проект «Эволюция» с профессором Капланом.

Квантовая механика при всех своих парадоксах все же описывает свойства объектов, существующих в неискривленном ньютоновском пространстве. Будущая теория гравитации должна распространить вероятностные квантовомеханические законы на свойства самого пространства (точнее, пространства-времени), деформированного в соответствии с уравнениями общей теории относительности. Как это сделать с помощью строгих математических выкладок, никто еще толком не знает.

Холодное рождение

Однако пути к подобному объединению можно обдумать на качественном уровне, и здесь появляются весьма интересные перспективы. Одну из них рассмотрел известный космолог, профессор Аризонского университета Лоуренс Краусс в своей недавно изданной книге «A Universe From Nothing» («Вселенная из ничего»). Его гипотеза выглядит фантастической, но отнюдь не противоречит установленным законам физики.

Считается, что наша Вселенная возникла из очень горячего начального состояния с температурой порядка 10 32 кельвинов. Однако возможно представить и холодное рождение вселенных из чистого вакуума — точнее, из его квантовых флуктуаций. Хорошо известно, что такие флуктуации порождают великое множество виртуальных частиц, буквально возникших из небытия и впоследствии бесследно исчезнувших. Согласно Крауссу, вакуумные флуктуации в принципе способны давать начало столь же эфемерным протовселенным, которые при определенных условиях переходят из виртуального состояния в реальное.

Вселенная без энергии

Что для этого нужно? Первое и главное условие — зародыш будущей вселенной должен иметь нулевую полную энергию. В этом случае он не только не обречен на практически мгновенное исчезновение, но, напротив, может просуществовать сколь угодно долго. Это связано с тем, что, согласно квантовой механике, произведение неопределенности величины энергии объекта на неопределенность его времени жизни не должно быть меньше конечной величины — постоянной Планка.


Разделение фундаментальных взаимодействий в нашей ранней Вселенной носило характер фазового перехода. При очень высоких температурах фундаментальные взаимодействия были объединены, но при остывании ниже критической температуры разделения не произошло (это можно сравнить с переохлаждением воды). В этот момент энергия скалярного поля, связанного с объединением, превысила температуру Вселенной, что наделило поле отрицательным давлением и послужило причиной космологической инфляции. Вселенная стала очень быстро расширяться, и в момент нарушения симметрии (при температуре около 10 28 К) ее размеры увеличились в 10 50 раз. В этот момент исчезло и скалярное поле, связанное с объединением взаимодействий, а его энергия трансформировалась в дальнейшее расширение Вселенной.

Коль скоро энергия объекта строго равна нулю, она известна без всяких неопределенностей, и потому время его жизни может быть бесконечно большим. Именно благодаря этому эффекту два заряженных тела, расположенных на очень больших расстояниях, притягиваются или отталкиваются друг от друга. Они взаимодействуют благодаря обмену виртуальными фотонами, которые, в силу своей нулевой массы, распространяются на любые дистанции. Напротив, калибровочные векторные бозоны, переносящие слабые взаимодействия, в силу большой массы существуют лишь около 10 -25 секунды, вследствие чего эти взаимодействия обладают очень малым радиусом.

Что же за вселенная, пусть и эмбриональная, с нулевой энергией? Как объяснил «Популярной механике» профессор Краусс, в этом нет ничего мистического: «Энергия такой вселенной складывается из положительной энергии частиц и излучений (и, возможно, также скалярных вакуумных полей) и отрицательной потенциальной энергии тяготения. Их сумма может быть равна нулю — математика это допускает. Однако очень важно, что такой энергетический баланс возможен лишь в замкнутых мирах, пространство которых имеет положительную кривизну. Плоские и тем более открытые вселенные таким свойством не обладают».


Фазовый переход происходил в эволюции Вселенной три раза: при температуре 10 28 K (распалось Великое объединение взаимодействий), 10 15 К (распад электрослабого взаимодействия) и 10 12 K (кварки стали объединяться в адроны).

Чудеса инфляции

Что произойдет, если квантовые флуктуации вакуума породят виртуальную вселенную с нулевой энергией, которая в силу квантовых случайностей получила какое-то время для жизни и эволюции? Это зависит от ее состава. Если пространство вселенной заполнено веществом и излучением, она сначала будет расширяться, достигнет максимального размера и схлопнется в гравитационном коллапсе, просуществовав лишь ничтожную долю секунды. Другое дело, если в пространстве имеются скалярные поля, способные запустить процесс инфляционного расширения. Существуют сценарии, в которых это расширение не только предотвращает гравитационный коллапс «пузырьковой» вселенной, но и превращает ее в почти плоский и безграничный мир. Тем самым неизмеримо вырастает и время ее жизни — практически до бесконечности. Таким образом, крошечная виртуальная вселенная становится вполне реальной — огромной и долгоживущей. Даже если ее возраст конечен, он вполне может намного превысить нынешний возраст нашей Вселенной. Поэтому там могут появиться звезды и звездные скопления, планеты и даже, чем черт не шутит, разумная жизнь. Полноценное мироздание, возникшее буквально из ничего — вот на какие чудеса способна инфляция!

  • Перевод

«Вопрос бытия – темнейший во всей философии». Так заключил Уильям Джеймс , размышляя над самой основной из загадок: как что-то возникло из ничего? Этот вопрос выводит из себя, решил Джеймс, поскольку требует объяснения, отрицая саму возможность его наличия. «Для перехода из ничего в бытие не существует логического моста», писал он.

В науке объяснения строятся на причинах и следствиях. Но если ничто на самом деле ничто, у него нет возможности стать причиной. Дело не в том, что мы не можем найти правильного объяснения – просто перед лицом «ничто» объяснение не работает.

Этот отказ бьёт по больному месту. Мы существа, любящие повествования. Наши простейшие понятия приходят через истории, а как нечто появилось из ничего – это самая главная история, доисторическая повесть, более фундаментальная, чем «путешествие героя» или «парень встречает девушку». Но эта история подрывает суть истории. Эта повесть соткана из самоуничтожения и парадокса.

И как ей не быть такой? Главный её герой – это Ничто. Слово, парадоксальное благодаря самому своему существованию в виде слова. Это существительное, вещь, и однако же, это не вещь. Как только мы представим его себе или назовём его, мы разрушим его пустоту, запятнав его значением. Остаётся удивляться: это проблема с «ничем», или это наша проблема? Космическая или лингвистическая? Экзистенциальная или психологическая? Парадокс физики или мыслей?

Стоит, однако, помнить, что решение парадокса находится в вопросе, а не в ответе. Где-то должен найтись сбой, неправильное предположение, неверное тождество. В таком коротком вопросе «как нечто появилось из ничего?» мало где можно спрятаться. Возможно из-за этого мы всё время возвращаемся к старым идеям в новой оболочке, играя на пути развития науки фугу, или вариации темы. С каждым проходом мы пытаемся уложить ещё один камень для перехода через реку, продлевая неуловимый мост Джеймса.

Самый старый из камней: если нельзя получить нечто из ничего, попробуй сделать ничто не таким уж пустым. Древние Греки считали, что пустое пространство наполнено субстанцией, эфиром. Аристотель считал эфир неизменным пятым элементом, более совершенным, чем земля, воздух, огонь и вода. «Ничто» противоречит Аристотелевой физике, утверждавшей, что тела падают или поднимаются согласно их правильному месту в естественном ходе вещей. Ничто должно быть идеально симметричным, выглядеть одинаково с любого угла, устраняя смысл у абсолютных пространственных направлений «верх» и «низ». Эфир, по мнению Аристотеля, мог бы служить космическим компасом, основной системой отсчёта, относительно которой можно было бы измерить всё движение. Для тех, кто ненавидел вакуум, эфир изгонял его.

Древний эфир существовал тысячи лет, пока его не переосмыслили в конце XIX века физики, например, Джеймс Клерк Максвелл, открывший, что свет ведёт себя как волна, всегда перемещающаяся с одной и той же скоростью. А что же волновалось и относительно чего измерялась скорость? Эфир был удобным ответом, предоставлявшим и среду, и систему отсчёта. Но когда Альберт Майкельсон и Эдвард Морли решили измерить движение Земли сквозь «эфирный ветер» в 1887 году, они не обнаружили последнего. А вскоре Эйнштейн своей специальной теорией относительности вбил последний гвоздь в гроб эфира.

Десятилетиями мы считали эфир исторической диковиной, регрессом. Но убить его оказалось труднее, чем мы думали. Сегодня его можно увидеть в другой форме: хиггсовского поля, пронизывающего вакуум пустого пространства, возбуждаемого знаменитым бозоном Хиггса. Это скалярное поле, единственный представитель своего вида, подтверждённый экспериментально. Это значит, что в каждой точке пространства у него есть единственное значение (в отличие от поля, описывающего свет, у которого в каждой точке есть как размер, так и направление). Это важно, поскольку означает, что поле будет выглядеть одинаково для любого наблюдателя, неважно, покоящегося или ускоряющегося.

Более того, его квантовый спин нулевой, то есть, оно выглядит одинаково с любого угла. Спин – мера того, как сильно нужно повернуть частицу, чтобы она стала выглядеть так же, как до поворота. У переносчиков взаимодействий (фотоны, глюоны) спин целый – повороты на 360 градусов оставят их неизменными. У частиц материи (электроны, кварки) спин полуцелый, а значит, их нужно повернуть дважды, на 720 градусов, чтобы вернуть к начальному состоянию. Но у Хиггса спин нулевой. Как ни вращай, он всегда выглядит одинаково. Прямо как пустое пространство. Симметрия равна невидимости.

Согласно интуиции Аристотеля, сегодняшние физики считают ничто конечным состоянием симметрии – неустанное самоподобие, предшествующее нахождению различий, необходимых для определения «вещей». Если физики запускают космический фильм в обратном направлении, отслеживая историю глубокого прошлого, они видят объединение несоизмеримых осколков реальности, превращение их в растущую симметрию, обозначающую источник – ничто.

Хиггс прославился снабжением элементарных частиц их массой, но это скрывает его настоящее значение. Дать частицам массу – это просто. Замедляйте их до скоростей ниже световой, и вот вам масса. Тяжело дать им массу, не поломав доисторическую симметрию. Поле Хиггса достигает этого, принимая ненулевое значение даже в состоянии наименьшей энергии. В каждом уголке пустого пространства скукожилось 246 ГэВ Хиггса – но мы этого не замечаем, поскольку оно везде одинаковое. Только скалярное поле может спрятаться на виду. Но его замечают элементарные частицы. Каждый раз, когда масса частицы ломает симметрию Вселенной, Хиггс тут как тут, маскируясь под пустое пространство, устраняет повреждения. Всегда трудясь в тени, Хиггс хранит изначальную симметрию Вселенной нетронутой. Можно понять (если и не простить) склонность журналистов к использованию названия «частица Бога» – даже если Леон Ледерман, придумавший оскорбительный термин, изначально хотел назвать её «проклятая Богом частица», а его издатель не разрешил ему это сделать.

Всё это значит, что хиггсовское поле ближе к ничто, чем Максвелловское понятие эфира. Это самая новая из наших кистей для рисования в пустоте. С его необычной симметрией Хиггс работает как маскировка для ничто – но само по себе оно не является ничем. У него есть структура, оно взаимодействует. Физический смысл 246 ГэВ остаётся неизвестным. При помощи Хиггса мы приближаемся к границам ничто, но не можем их переступить.

Если попытки сделать ничто не таким уж пустым не отвечают на вопрос «как нечто появилось из ничего», мы должны сделать причину не такой уж причиной. И у этих попыток есть своя история. Внезапное появление личинок на гниющем мясе во времена Аристотеля привело к распространённому мифу о спонтанном возникновении жизни; дыхание жизни способно возникнуть из пустоты. Граница между ничем и чем-то встала рядом с границей между жизнью и смертью, духом и материей, божественным и земным. В свою очередь это принесло с собой весь набор религий и веры, порождая очень сложное решение нашего парадокса. Мы принимали эту теорию 2000 лет, пока в 1864 её не развеял микробиолог Луи Пастер. Omne vivum ex vivo – вся жизнь из жизни. В последующие десятилетия мы обнаружили спонтанное возникновение ещё одной исторической диковины. Но, как и эфир, она снова вернулась к нам, в овечьей шкуре квантовых флюктуаций.

Квантовые флюктуации, украшенные неопределённостью, это следствия без причины, шум в сигнале, первозданная статика, случайная по своей природе. Правила квантовой механики позволяют – даже требуют – чтобы энергия (и, согласно E=mc 2 , масса) появлялась «из ниоткуда», из ничего. Сотворение ex nihilo – так это выглядит.

Принцип неопределённости Гейзенберга – естественный источник квантовых личинок. [«maggot» по-английски – не только личинка, но и блажь, причуда, каприз – прим.перев.] Он постулирует, что определённые пары физических свойств – расположение и импульс, энергия и время – связаны вместе фундаментальной неопределённостью. Чем точнее мы задаём один из параметров, тем менее ясным становится другой. Вместе они формируют связанные пары и предотвращают существование «ничто». Начните уточнять пространственное положение, и импульс начнёт дико флюктуировать. Определите мелкие и точные отрезки времени, и энергия начнёт колебаться в более широком промежутке маловероятных значений. В самые короткие мгновения на самых кратчайших дистанциях внезапно могут возникать целые вселенные, чтобы затем исчезнуть. Увеличьте изображение мира, и спокойная, структурированная реальность уступает место хаосу и случайности.

Но эти связанные пары сами по себе не случайны: это пары свойств, которые наблюдатель не сможет измерить одновременно. Несмотря на то, как обычно описывают квантовые флюктуации, в мире нет некоей заранее определённой реальности, ёрзающей туда и сюда. Эксперимент показывает, что то, что есть, на самом деле вовсе не существует, а находится в ожидании. Нерождённое. Квантовые флюктуации – это не экзистенциальные, а условные описания – они не отражают то, что есть, но только то, что станет возможным, если наблюдатель решит провести определённое измерение. Будто бы возможность измерения у наблюдателя определяет, что должно существовать. Онтология подводит итог эпистемологии . Неопределённость природы – это неопределённость наблюдения.

Фундаментальная невозможность присвоить определённые значения всем свойствам физической системы означает, что когда наблюдатель проводит измерение, результат получится действительно случайным. На крошечных масштабах, где правят квантовые эффекты, цепочка причин и следствий слетает с катушек. Квантовая механика, как говорил её отец-основатель Нильс Бор, «непримирима с самим понятием причинности». Эйнштейн, как известно, проигнорировал её. «Бог не играет в кости», сказал он – на что Бор ответил, «Эйнштейн, прекратите советовать Богу, что делать».

Но может, это нас стоит винить в ожидании сохранения принципа причинности. Эволюция научила нас любой ценой искать простые шаблоны. Для наших предков, рассекавших африканскую саванну, возможность распознать следствия из причин отмечала границу между жизнью и смертью. Она съела пятнистый гриб и заболела. Тигр приседает перед прыжком. Рассказы означают выживание. Естественному отбору не нужна квантовая физика – так что, как бы мы догадались о её существовании? Но она существует. А причинность – это приближение. Это наше сознание ищет историю.

И что же, вот и всё? Ответ на вопрос «почему мы существуем» заключается в том, что нет никакого «почему», что существование – это случайная квантовая флюктуация? Ну значит, мы можем отбросить всякие объяснения и сделать квантовый скачок для преодоления моста Джеймса. Как нечто появилось из ничего? Да просто так. К сожалению, дальше мы так не продвинемся. Космологи верят, что законы квантовой механики могут спонтанно создавать вселенные, эта история просто перекладывает ответственность. Откуда же взялись эти законы? Помните, что мы хотели объяснить, как нечто появилось из ничего – а не то, как нечто появилось из заранее существовавших законов физики. Недостаточно убрать причинность из уравнения – парадокс остаётся.

Вначале было ничто, а потом что-то появилось.

Главное действующее лицо в этой истории – Время, переносчик перемен. Может ли решение парадокса заключаться в отрицании времени? Если время, как говорил Эйнштейн, всего лишь упорная иллюзия, то мы можем сразу же освободиться не только от причинности, вытекающей из законов природы, но и от вопроса, откуда взялись эти законы. Они ниоткуда не взялись, потому что нет никакой эволюции. Рассказ исчезает, никакой истории нет, и никакого моста тоже нет.

Понятие вечной вселенной, или цикличной, вечно возвращающейся, появляется в самых ранних мифах и историях, от мифологии банту из Африки, до Времени сновидений австралийских аборигенов, от космологии Анаксимандра Милетского до древнеиндийских пуран . Можно увидеть привлекательность этих теорий. Вечность избегает «ничто».

В наше время эта древня идея возвращается в виде теории стационарной Вселенной, сформулированной Джеймсом Джинсом в 1920, и затем уточнённой и популяризованной Фредом Гойлом и другими в 1940-е. Вселенная расширяется, но для заполнения пустот всё время появляется новая материя, поэтому в среднем Вселенная не изменяется. Теория оказалась неверной, её заменила теория Большого взрыва и вечность уменьшилась до каких-то 13,8 миллиардов лет.

Но в 1960-х стационарная Вселенная внезапно вернулась в странном виде – в уравнении

H(x)|Ψ> = 0

Физики Джон Арчибальд Уилер и Брюс Девитт написали его, теперь известное как уравнение Уилера-Девитта, хотя сам Девитт зовёт его «это чёртово уравнение» (нет, никакого родства с «проклятой богом частицей»). Они пытались применить странные законы квантовой механики к Вселенной в целом, как она описывается в эйнштейновской общей теории относительности. Стоит обратить внимание на правую часть уравнения – нулевую. Общая энергия системы – ничего. Никакой эволюции во времени. Ничего не может произойти. Проблема в том, что эйнштейновская вселенная – четырёхмерное пространство-время, комбинация пространства и времени. Но квантовая механика требует, чтобы волновая функция физической системы эволюционировала во времени. Но как может пространство-время эволюционировать во времени, если оно и есть время? Эта дилемма просто бесит – вселенная, описываемая квантовой механикой, застывает во времени . Уравнение Уилера-Девитта – это теория стационарной Вселенной наизнанку. Вместо всегда существовавшей Вселенной у нас получается Вселенная, которой никогда не будет.

Само по себе уравнение Уилера-Девитта элегантно решает нашу задачу. Как из ничего появилось нечто? Оно не появлялось. Но такое решение озадачивает – ведь мы-то здесь.

В этом и суть. В квантовой механике ничего не происходит до тех пор, пока наблюдатель (человек или другая конфигурация частиц) проводит измерение. Но в случае всей вселенной наблюдателя не существует. Никто не может стоять вне вселенной. Вселенная в целом застряла в бесконечном мгновении. Но внутри всё выглядит по-другому.

Изнутри наблюдатель не может измерить всю вселенную, и поэтому разбивает реальность на две части – обозревателя и обозреваемое – благодаря простому, но сильному факту, что наблюдатель не может измерить сам себя. Как писал физик Рафаэль Боуссо , «Очевидно, у прибора должно быть не меньше степеней свободы, чем у системы, чьё квантовое состояние он пытается определить». Философ науки Томас Брюер использовал Гёделевский аргумент для выражения той же мысли: «Никакой наблюдатель не может получить или сохранить информацию, достаточную для того, чтобы различить все состояния системы, в которой он находится».

Как наблюдатели, мы обречены вечно видеть только кусочек большой головоломки, частью которой мы являемся. И это может быть нашим спасением. Когда вселенная распадается на две части, ноль в правой части уравнения меняется на другое значение. Всё меняется, физика происходит, время идёт. Можно даже сказать, что Вселенная рождается.

Если это звучит как ретроказуальность (будущее влияет на прошлое) – ну, так оно и есть. Квантовая теория требует этого странного обращения стрелы времени. Уилер обратил внимание на этот факт при помощи известного эксперимента с отложенным выбором, который сначала был предложен в качестве мысленного, а затем . В отложенном выборе измерение наблюдателя в настоящем определяет поведение частицы в прошлом – прошлом, которое может тянуться назад на миллионы, и даже на 13,8 миллиарда лет. Цепь причин и следствий оборачивается сама на себя, и её конец связывается с началом: мост Джеймса оказывается петлёй.

  • вселенная
  • философия
    • Добавить метки

    Я.Б. Зельдович, ВОЗМОЖНО ЛИ ОБРАЗОВАНИЕ ВСЕЛЕННОЙ ИЗ НИЧЕГО?


    Якова Борисовича Зельдовича нет нужды представлять читателям "Природы". Автор фундаментальных работ в области физической химии, теор ии элементарных частиц, ядерной физики, астрофизики и космологии, он, кроме того, был еще и блестящим популяризатором, ярко, живо и образно рассказывающим в своих популярных книгах и статьях о наиболее "горячих" проблемах современной науки. В последние годы особое внимание он уделял релятиви стской астрофизике и космологии. Именно в это время им написаны для нашего журнала статьи "Черные и белые дыры" (совместно с А.А. Старобинским и И.Д. Новиковым; 1976, № 1); "Современная космология" (1983, № 9); "Почему расширяется Вселенная!" (1984, № 2). Продолжает эту тематику и последняя его статья "Возможно ли образование Вселенной "из ничего?". Послесловие к ней написал академик А.Д. Сахаров.

    ВСЕЛЕННАЯ

    Размеры окружающей нас Вселенной и, даже более скромно и более точно, размеры исследованной нами части Вселенной, далеко превышают человеческое воображение.

    Древним людям трудно было представить себе, что Земля - это шар. Сегодня, когда самолеты без посадки пролетают многие тысячи километров, в век космических полетов, радио и телевидения (и в век межконтинентальных ракет с ядерным зарядом, к сожалению) Земля представляется маленьким хрупким шариком. Не удивляет нас и расстояние до Солнца - 150 млн км, так называемая астрономическая единица. Однако расстояние от Солнечной системы до центра Галактики (около 10 кпк = 3 10 22 см) в два миллиарда раз больше расстояния от Земли до Солнца. В свою очередь, расстояние, на котором еще удается наблюдать яркие галактики, порядка нескольких тысяч мегапарсек - еще почти в миллион раз больше расстояния от Солнца до центра нашей Галактики. Если это наибольшее расстояние уменьшить в 10 15 раз, т. е. примерно до 1 а. е., то Солнечная система уменьшится до масштаба пылинки размером меньше миллиметра...

    Так же, как и линейный масштаб, т. е. размер Вселенной, невообразимо велико и количество вещества, с которым мы имеем дело. Масса Земли около 6 10 27 г. Масса Солнца около 2 10 33 г, т. е. в 300 тыс. раз больше. Галактика имеет массу порядка 2 10 11 масс Солнца. В наблюдаемой нами области Вселенной суммарная масса очень грубо, по порядку величины, оценивается как 10 55 г, т. е. порядка 10 22 масс Солнца.

    Человек, живо и наглядно ощущающий всю огромность пространства и массы, открывающихся современным телескопам, не может остаться равнодушным. Соответствующие величины потрясают воображение настолько, что ощущаешь головокружение. Первым, естественным следствием этого потрясения является отвращение к теор ии расширяющейся Вселенной. Неужели все великолепие и громадность Вселенной когда-то умещалось в шаре размером в несколько сантиметров? И еще более диким кажется вопрос: неужели все сущее, все наблюдаемое могло образоваться буквально "из ничего"?

    В предлагаемой статье я сознательно ограничусь узкой постановкой вопроса. Обсудим только, не противоречит ли это предположение - образование Вселенной "из ничего"- каким-либо твердо установленным общим законам природы. Иногда ведь самый общий "закон сохранения" так и формулируют: "из ничего не может получиться ничего". Такую формулировку я с порога отвергаю - она наивна и ненаучна. Есть закон сохранения энерги и. Есть, например, еще закон сохранения электрического заряда. Мы проверим выполнение этих четко физически сформулированных законов, а также обсудим существование и выполнение других подобных, более или менее твердо установленных физических законов.

    Чтобы не превращать эту статью в полный курс космологии, мы не будем исследовать подробно строение Вселенной, закон ее расширения и полный сценарий ее эволюции.

    Можно привести такую житейскую аналогию: представьте себе, что к Вам пришел изобретатель с каким-то чудесным двигателем или генератором электрического тока. Разумный шаг эксперта состоит в том, что выясняется вопрос, не принесли ли Вам проект "вечного двигателя" (реrpetuum mobile). Давно уже действует обычай с порога отвергать без детального рассмотрения такие проекты. "Perpetuum mobile" нарушает закон сохранения энерги и, значит, где-то в проекте содержится ошибка. Выяснение конкретной ошибки уже не интересно никому, кроме самого изобретателя.

    Подойдем с такой же меркой к вопросу о возникновении Вселенной "из ничего". Противоречит ли это предположение законам физики? Возможно ли это, можно ли будет (если не сейчас, то в будущем) создать непротиворечивую, правильную теор ию этого, поистине самого грандиозного явления?

    СОХРАНЕНИЕ ЗАРЯДОВ

    Начнем с закона сохранения электрического заряда. Ответ лежит на поверхности, он очевиден: нет никакого запрета на рождение электронейтральной Вселенной, т. е. Вселенной, содержащей равное число положительных и отрицательных зарядов. Есть все основания думать, что именно такова наша Вселенная. В противном случае возникли бы сильные электрические поля, которые нарушили бы ее (Вселенной) однородность и изотропию. Итак, Вселенная, скорее всего, строго нейтральна, а значит, вполне могла родиться "из ничего" (без противоречия закону сохранения электрического заряда).

    Обратимся к закону сохранения барионного заряда. Напомним, что во всех известных процессах, происходящих в лаборатории, суммарное число протонов и нейтронов не меняется. В частности, радиоактивность ядер проявляется либо как перегруппировка протонов и нейтронов, либо как превращение протонов в нейтроны и обратно.

    Так, при испускании g -лучей (т. е. фотонов) перегруппировка происходит при переходе данного ядра из энергетически возбужденного состояния в основное или в состояние с меньшей энерги ей возбуждения. При a -распаде ядра часть протонов и нейтронов материнского ядра остаются в дочернем ядре, а другие вылетают в виде ядра гелия (два протона и два нейтрона). В b -распаде быстрый электрон (b -частица) и нейтрино рождаются при превращении нейтрона в протон. Есть и обратный процесс испускания позитрона (p = N+e + + n e ) при превращении протона в нейтрон, но такой процесс идет лишь в том случае, если протон находится в ядре и после превращения нейтрон занимает более низкое энергетическое состояние.

    Свободный протон легче свободного нейтрона, поэтому свободный нейтрон b -радиоактивен; свободный протон стабилен, нестабильным он бывает только внутри некоторых ядер.

    Итак, к концу 40-х годов закон сохранения барионов формулировался просто: сумма числа протонов и нейтронов не меняется. Затем последовало открытие так называемых странных частиц. Сперва они были открыты в космических лучах, а позже очень подробно исследованы в лаборатории на ускорителях. Они нестабильны, образуются из протонов или нейтронов и при распаде снова дают протоны или нейтроны.

    Так, например: p + N = D + K+ + N (D - странный гиперон, К - странный мезон). Странными эти частицы были названы потому, что при сравнительно большой вероятности образования за очень короткое время столкновения они имеют довольно большое время жизни, 10 -8 -10 -10 с.

    В начале 50-х годов были открыты так называемые барионные резонансы. Рассеяние л-мезонов на протонах и нейтронах зависит от энерги и в соответствии с тем, что эти две частицы сперва сливаются в одну, которая потом снова распадается. Так, например:

    После этих открытий закон сохранения барионов усложнился: сохраняется сумма

    B = p + N + D + S + ... + D ++ + D + + D 0 + D - + ... = const

    или, иными словами, сохраняется общее количество барионов (Здесь D, S , ... - странные барионы; многоточие заменяет перечисление всех странных барионов - от D ++ до D - , самых легких барионных резонансов, а повторное многоточие заменяет перечисление всех резонансов.).

    В 1955 г. были, наконец, экспериментально открыты антипротоны. Теор етически существование античастиц - антибарионов - было предсказано вскоре после предсказания и обнаружения антиэлектронов, т. е. позитронов. Однако энерги я, нужная для рождения пары протон-антипротон в 2000 раз больше, чем для пары электрон-позитрон, поэтому между двумя открытиями возник интервал в четверть века. В это время у некоторых ученых нервы не выдерживали и высказывались сомнения относительно существования антибарионов; теперь для этих сомнений нет места!

    Итак, в окончательной форме закона сохранения барионного заряда: сохраняется разность числа барионов и антибарионов.

    За последние 20 лет показано, что барионы состоят из 3 кварков. Антибарионы состоят из антикварков. Соответственно, барионный заряд и закон его сохранения на языке кварков формулируется так:

    3В = S q i - S q" k = const,

    где S q i - число кварков i-ro сорта; S q" k - число антикварков k-ro сорта; сумма берется по всем сортам.

    Закон сохранения барионного заряда необычайно важен как для Вселенной в целом, так и для непосредственно окружающего нас современного мира. С учетом этого закона данное количество барионов можно использовать для производства энерги и, только переводя их в наинизшее энергетическое состояние, а именно в ядра железа *. Отсюда следует, что энерги ю можно получить, либо превращая уран в ядра середины таблицы Менделеева, либо превращая водород в железо.

    * Имеется в виду, что в ядрах железа энерги я связи нуклонов максимальна. (Прим. ред. )

    Первый процесс успешно осуществляется на атомных электростанциях. Второй происходит в звездах. В несколько измененной форме (начиная не с начала и не доходя до конца) второй процесс реализуется при слиянии ядер дейтерия и трития с образованием 4 Не и нейтрона и в будущем станет источником термоядерной энерги и на Земле. Но общим для обоих процессов является использование малой доли - менее 1 % - полного запаса энерги и горючего.

    Полный запас энерги и, следуя закону эквивалентности Эйнштейна Е = Мс 2 , равен 9 10 13 Дж на 1 г вещества.

    Отмена закона сохранения барионного заряда означала бы принципиальную возможность прямого распада протона р = е - + энерги я или р = е + + энерги я.

    Итак, протон - свободный или связанный в ядре - мог бы быть нестабильным и распадаться с выделением огромной энерги и, если бы не было закона сохранения барионного заряда. Огромное современное значение этого закона сохранения очевидно.

    То же относится и к рождению Вселенной “из ничего”.

    Барионный заряд “ничего”, очевидно, равен нулю. Если барионный заряд сохраняется, то вся Вселенная, родившаяся “из ничего”, должна иметь нулевой барионный заряд, т. е. равное количество вещества и антивещества. Так и думали те, кто первыми в начале 60-х годов высказывали идею рождения Вселенной. Они полагали, что рождается Вселенная с равным количеством барионов и антибарионов, т. е. с равным количеством вещества и антивещества. Но если вещество и антивещество в равном количестве равномерно размещены в пространстве (т. е. их плотность одинакова в каждой точке), то при охлаждении они полностью аннигилируют. К тому же нет механизма, который мог бы их разделить; тяготение стягивает вещество и антивещество одинаково.

    Рождение Вселенной такой, какой мы ее наблюдаем, возможно лишь в том случае, если закон сохранения барионного заряда может быть нарушен *. Не повторяя увлекательную, но сложную трактовку вопроса, резюмируем посвященные ему статьи.

    * О возможном нарушении этого закона и экспериментальном поиске нарушения подробнее см: Зельдович Я. Б., Долгов А.Д. Вещество и антивещество во Вселенной // Природа. 1982. № 8. С. 33-45; Березинский В. С. Объединенные калибровочные теор ии и нестабильный протон // Природа. 1984. № 11. С. 24-38.

    Электрический заряд обязан сохраняться постольку, поскольку справедливы уравнения Максвелла, не допускающие несохранения этого заряда. Иными словами, связь электрического заряда с электромагнитным полем автоматически приводит к сохранению электрического заряда.

    Однако не существует поля, которое играло бы подобную роль в случае барионного заряда. Убежденность в сохранении барионного заряда основывалась только на эксперименте.

    Каждый эксперимент по необходимости имеет ограниченную точность. Абсолютизируя результаты опыта, физики до 60-х годов молчаливо предполагали, что в мире элементарных частиц не должно быть слишком больших количественных различий.

    Когда нейтрон распадается, превращаясь в протон (b -распад), среднее время распада около 1000 с. Казалось, что природа (с маленькой буквы, т. е. не тот уважаемый журнал, где будет помещена данная статья) должна выбирать между двумя крайностями: либо сравнительно быстрый распад, по аналогии с (b -распадом нейтрона, либо совсем никакого распада, как в случае абсолютно стабильного электрона. Третий - промежуточный - случай медленного распада до 60-х годов казался неэстетичным и крайне маловероятным.

    Вкусы изменились, увеличилась храбрость теор етиков, выступающих в настоящее время под лозунгом: все, что не запрещено, существует, и в частности протон может распадаться.

    Однако положение и сейчас остается драматическим: усилиями экспериментаторов нижняя граница времени жизни протона доведена до 10 32 лет, но распад все еще не обнаружен. Экспериментальная ситуация подробно описана В. С. Березинским *.

    * См. предыдущую сноску.

    В его статье не хватает только одного соображения: сегодня убежденность в несохранении барионного заряда основывается в значительной степени на том, что Вселенная содержит вещество и не содержит антивещества. При этом приходится привлекать еще различие свойств частиц и античастиц, а также нарушение термодинамического равновесия, возникающее вследствие расширения Вселенной. (Впервые это отмечено в работе А. Д. Сахарова в 1967 г. *).

    * Сахаров А. Д. Нарушение СР-инвариантности, С-асимметрия и барионная асимметрия Вселенной // Письма в ЖЭТФ. 1967. Т. 5. С. 32-35. (Прим. ред. )

    Из оценок в таких теор иях с несохранением барионного заряда получается, что число протонов и нейтронов в миллиард раз меньше числа фотонов или нейтрино. Главное же состоит в том, что сейчас ясно понято различие между электрическим и барионным зарядами. Кроме того, физическая общественность в целом (или, во всяком случае, физики-теор етики) избавились от страха перед большими числами. Если время жизни протона 10 40 лет (что, по-видимому, на очень многие годы останется недоступным для проверки в прямых экспериментах), то понадобится предположение о процессах в горячей Вселенной, идущих при температуре порядка 10 17 ГэВ (10 30 К), столь же недоступной для ускорителей *. Пока не видно, какие косвенные опыты могли бы дать ответ.

    * Время жизни протона t р обратно пропорционально четвертой степени массы тяжелого бозона М x 4 в теор ии "Великого объединения". Поэтому если при М x ~ 10 15 ГэВ t р ~10 31-37 лет, то при М x ~ 10 17 ГэВ t р ~10 39-40 лет. (Прим. ред. )

    Возникла ситуация, которую высоко ценят астрономы: именно астрономические данные указывают путь физикам, как это было со скоростью света и законом тяготения Ньютона. Существование Вселенной, заполненной веществом, является пока единственным, но очень веским доказательством несохранения барионного заряда!

    СОХРАНЕНИЕ ЭНЕРГИ И

    Обратимся к закону сохранения энерги и для Вселенной как целого. Напомним, что энерги я покоящейся частицы эквивалентна ее массе, Е = Мс 2 . Сохранение энерги и покоя - это есть и сохранение массы.

    Немного истории: Дж. Дальтон и У. Праут обратили внимание на то, что многие атомные веса выражаются целыми числами. Отсюда, естественно, последовала гипотез а, что все ядра сложены из одинаковых единичных кирпичиков. Однако тот факт, что заряд ядра не пропорционален его весу, привел к выводу, что есть две модификации таких кирпичиков - протоны и нейтроны, отличающиеся зарядом при почти одинаковой массе. Здесь мы несколько отклонились от исторической последовательности, опустив мрачный период, когда ядра строили из протонов и электронов. Грубо говоря, электроны (в силу соотношения неопределенности) не влезают, не помещаются в ядре. Первые правильные идеи о существовании нейтронов высказывались в-виде гипотез ы еще в начале 20-х годов, научное доказательство существования нейтронов пришлось на 30-е годы, а в 1945 г. были Хиросима и Нагасаки. В очень кратком изложении мы опустили открытие изотопов и весьма точное определение атомных весов отдельных изотопов.

    В итоге, с одной стороны, подтвердилась теор ия единообразного строения ядер из протонов и нейтронов, с другой стороны, первый аргумент в ее пользу - целые атомные веса изотопов - оказался неточным. Такова диалектика развития науки. Но теперь неточность целых весов изотопов приобрела другой, тоже глубокий смысл .

    Из того факта, что вес одного атома гелия на 0,6 % меньше веса четырех атомов водорода, астрономы сделали вывод, что водород превращается в гелий в недрах звезд и при этом 0,6 % массы (0,006 с 2 = 5,4 10 18 эрг/г) превращается в энерги ю излучения звезд. Особенно стоит подчеркнуть, что вывод этот был сделан задолго до того, как развитие ядерной физики показало конкретные пути такого превращения".

    Этот экскурс в ядерную физику нужен нам был для того, чтобы сказать, что и энерги я тяготения, выделяясь в том или ином виде, также приводит к уменьшению массы целого по сравнению с массой совокупности частей. Масса нейтронной звезды на 10-15 % меньше суммы масс составляющих ее частиц. Именно эта разность масс является источником энерги и взрыва сверхновой, который сопровождает образование нейтронной звезды, даже несмотря на то, что очень большую долю этой энерги и уносят нейтрино.

    Наверное, не случайно В. Гейзенберг - один из крупнейших физиков нашего века - озаглавил свою автобиографию "Часть и Целое" (Der Teil und das Ganze). Появление новых свойств у целого при сложении частей - один из глубочайших вопросов науки,

    Еще раньше в замечательной книге Л. Д. Ландау и Е. М. Лифшица "Теор ия поля" проводилось точное и строго формальное доказательство того, что масса (а значит, и энерги я) замкнутого мира тождественно равна нулю. Предыдущие рассуждения позволяют понять это утверждение наглядно. Отрицательная гравитационная энерги я взаимодействия частей точно компенсирует положительную энерги ю суммы всех частей, всего вещества. Общая теор ия относительности, связывающая тяготение и геометрию, доказывает, что точная компенсация происходит тогда и именно тогда, когда становится замкнутым пространство, в котором находится вещество.

    Итак, общая теор ия относительности устраняет последнее препятствие на пути рождения Вселенной "из ничего". Энерги я "ничего" равна нулю. Но и энерги я замкнутой Вселенной равна нулю. Значит, закон сохранения энерги и не противоречит образованию "из ничего" замкнутой Вселенной (но именно геометрически замкнутой, а не открытой бесконечной Вселенной).

    АСТРОФИЗИЧЕСКИЕ ВЫВОДЫ. НУЖНА ЛИ ПУЛЬСИРУЮЩАЯ ВСЕЛЕННАЯ?

    Астрофизические следствия замкнутости Вселенной подробно рассмотрены в моей предыдущей статье в "Природе" *.

    * Зельдович Я. Б. Современная космология // Природа. 1983. № 9. С. 11-24. (Прим. ред. )

    Первое следствие состоит в том, что общая плотность всех видов материи должна быть достаточно велика; таким образом, появляется дополнительный аргумент в пользу каких-то форм "скрытой массы", поскольку плотность обычных хорошо известных форм массы (протонов, ядер, электронов, фотонов) недостаточна.

    Второй вывод заключается в том, что наблюдаемое в настоящее время расширение Вселенной должно в будущем смениться сжатием - рано или поздно, притом, вероятно, скорее очень поздно, даже по сравнению с сегодняшним возрастом Вселенной *.

    * Отметим, впрочем, вариант, указанный в моей статье в "Природе" (1984. № 2): возможно, космологическая постоянная не равна нулю и имеет такой знак, что заменяет часть массы. Тогда расширение продолжается неограниченно, мир не "замкнут" по оси времени (есть рождение, нет общего коллапса), несмотря на его пространственную замкнутость.

    Зависимость радиуса замкнутой Вселенной а от времени] " теор ии циклической эволюции.
    В точке А (радиус минимален) происходит переход от сжатия к расширению,
    в точке В (радиус максимален) расширение сменяется сжатием.

    Идея замкнутого мира, сперва расширяющегося, а потом сжимающегося, наталкивала многих ученых на гипотез у пульсирующей вечной Вселенной. Дело оставалось за малым - в переносном и буквальном смысл е слова: понятно, как происходит остановка и смена расширения сжатием при большом (максимальном) радиусе Вселенной, осталось понять, как происходит переход от сжатия к расширению при малом (минимальном) радиусе. Популярность идеи вечной (в прошлом!) Вселенной возросла, когда было осознано, что при учете поляризации вакуума кривизной пространства (сильным гравитационным полем) или за счет гравитационного поля, источником которого является скалярное поле с неравной нулю массой, действительно существуют формально правильные строгие решения * типа

    с минимальным радиусом 1/Н 0 порядка 10 -28 см. Эти решения формально существуют и в классической теор ии. Какие аргументы можно выдвинуть против этих решений?

    * Решения такого типа называются инфляционными. (Прим. ред. )

    Зависимость радиуса Вселенной а от времени t в теор ии циклической эволюции при учете роста энтропии. Современное состояние Вселенной описывается точкой В, t 0 - необходимое "начало".
    Лично мне наиболее существенным возражением представляется сама возможность рождения Вселенной "из ничего". Идея вечной Вселенной казалась неизбежной (можно было спорить только о способе, в частности классическом или квантовом, перехода от сжатия к расширению), до тех пор пока казалось, что энерги я и барионный заряд - вечные, сохраняющиеся и притом не равные нулю величины. От гипноза этих идей мы освободились. Если гипотез а вечной Вселенной не обязательна, то можно обратиться к деталям, касающимся теор ии циклической эволюции.

    Еще в 30-е годы был выдвинут серьезный термодинамический аргумент против вечной циклически повторяющейся Вселенной. В ходе каждого цикла энтропия растет *. Это приводит к тому, что амплитуда каждого следующего цикла больше амплитуды предыдущего. Обращая этот аргумент в прошлое, можно сделать вывод, что конечно общее число циклов, начиная с первого цикла с нулевой энтропией. Но в таком случае цель не достигнута - циклически эволюционирующая Вселенная все равно оказывается существующей конечное время, т. е. нуждается в "начале".

    * Существует точка зрения, согласно которой при смене расширения сжатием одновременно рост энтропии сменяется ее уменьшением. При этом еще упоминают мист ическое изменение направления "стрелы времени". Влияние общего медленного расширения или сжатия на конкретные процессы, происходящие с частицами или в звездах, представляется совершенно не физическим, никак не обоснованным.

    В самое последнее время вместе с В. А. Белинским, Л. П. Грищуком и И. М. Халатниковым мы анализировали расширение и сжатие Вселенной, заполненной массивным когерентным скалярным полем *.

    * Белинский В. А., Грищук Л. П., Халатников И. М., Зельдович Я. Б. // ЖЭТФ. 1985. Т. 89. С. 346-355. (Прим. ред. )

    Аналогичные расчеты проводились и ранее, но, может быть, с менее четкими выводами. Не вдаваясь в подробности, привожу результаты. В зависимости от того, является ли скалярное поле j почти статичным (mj 2 >>hj " 2 ) или быстроменяющимся и почти безмассовым (mj 2 <j " 2 ), меняется соотношение между давлением и плотностью энерги и (здесь h = 10 -14 Дж с - постоянная Планка, штрих - производная j по времени). В первом случае р = -e , имеет место гравитационное отталкивание, во втором случае, когда давление максимально велико, р = +e - гравитационное притяжение.

    В принципе, и при сжатии, и при расширении могут иметь место оба случая. Однако при сжатии устойчивым является второй режим, р = +e - давление поля сопротивляется сжатию. В таком случае классическое решение приводит в сингулярность, радиус Вселенной обращается в нуль, кривая сжатия утыкается в ось абсцисс. Решения с плавным переходом от сжатия к расширению оказываются исключительными, маловероятными. Но дело даже не в детальном исследовании кривых. Более важен анализ тех предположений, которые приходится делать в ходе решения задачи.

    Сингулярное сжатие Вселенной при положительном давлении р = + e .
    Закон сжатия одинаков для замкнутого, плоского и открытого мира: a ~ (t 0 -t) 1/3
    (следует иметь в виду, что t <= t 0 ).

    Мы рассматриваем строго однородное скалярное поле и строго однородную и изотропную Вселенную. Однородность означает одинаковость, эквивалентность всех пространственных точек в один и тот же фиксированный момент времени. Изотропия означает эквивалентность всех пространственных направлений.

    В задаче о расширении эти предположения разумны: в ходе расширения быстрее всего расширяется область, в которой скалярное поле максимально. При этом классическое скалярное поле становится практически постоянным, а все другие поля (в частности, нарушающее изотропию электромагнитное поле) быстро убывают.

    * Подробнее об инфляционной стадии и работах А. Д. Линде см., напр.: Новиков И. Д. Как взорвалась Вселенная // Природа, 1988. № 1. С. 82-91. (Прим. ред.)

    Однако в ходе сжатия можно ожидать огромной неустойчивости, нарушения однородности и изотропии. Поэтому вариант прохождения Вселенной некоего минимального радиуса становится еще менее вероятным при учете возмущений. По существу аргумент этот близок к соображениям о возрастании энтропии. Итак, если это и не теор ема, то все же мы имеем достаточно побудительных причин для размышлени й о спонтанном рождении Вселенной, устраняющем идею циклической Вселенной.

    О СПОНТАННОМ РОЖДЕНИИ

    Знаменитый до революции юморист А. Аверченко начинал свою "Всемирную историю" словами: "История мидян темна и непонятна. Ученые делят ее, тем не менее, на три периода: первый, о котором ровно ничего не известно. Второй, который последовал за первым. И, наконец, третий период, о котором известно столько же, сколько и о первых двух".

    Боюсь, что последняя часть моей статьи о ранней истории Вселенной будет похожа на древнюю историю человечества в изложении А. Аверченко. До сих пор мы выясняли только принципиальную возможность рождения Вселенной. Что можно сказать о конкретном механизме этого явления? Придется ограничиться постановкой вопросов.

    Прежде всего, словом "ничего", "из ничего" можно придавать разные трактовки. Можно представить себе пустое плоское пространство Минковского - само по себе такое решение уравнений ОТО существует и оно вечное. Рождение можно было бы представить себе наподобие серии картинок (см. рис).

    Рождение замкнутой Вселенной (шарик на последней части IV рис.)
    из плоского мира Минковского (М на стадии I).
    На промежуточных стадиях, вдали от флуктуации,
    приводящей к рождению (отщеплению) шарика, метрика остается плоской ("минковской").

    Надо только помнить, что в них речь идет об одномерной аналогии. Изображать рождение трехмерного замкнутого пространства (из трехмерного сечения) пространства Минковского я не умею. Время t есть параметр, отличающий одну часть картинки (I-IV) от другой. После отделения замкнутой области остающееся пространство снова плоское. Но ведь оно плоское только в классическом пределе. В действительности в квантовой теор ии метрика пространства тоже флуктуирует подобно тому, как осциллятор имеет определенную среднюю кинетическую и такую же потенциал ьную энерги ю, не равную нулю в нижнем энергетическом состоянии.

    Таким образом, на приведенном рисунке речь идет о флуктуации - но о флуктуации настолько большой, что меняется сама топология, пространство раздваивается. Рассчитывать такие флуктуации сегодня мы не умеем. Напомню, что сами свойства вакуума (его среднюю энерги ю, т. е. космологическую постоянную) мы находим только из опыта.

    Второй популярный вариант состоит в рассмотрении только одного замкнутого мира (без подстилающего или рождающего его пространства Минковского). Тогда до "начала" не было буквально ничего, никакой метрики, в частности не было и времени.

    Спонтанное рождение мира "из ничего". До момента t = 0 метрика (и, в частности, время) не существовала.

    Классические уравнения движения не имеют решения нужного типа. Значит, следует искать квантовомеханические решения. Задача подобна задаче об a -распаде ядра урана или радия. По классической ньютоновской механике a -частица не может пройти весь путь от ядра до бесконечности. Квантовомеханическое решение для a -частицы описывает обе области: "подбарьерную", в которой кинетическая энерги я отрицательна (т. е. классическое движение невозможно), и далекую область, в которой существуют оба решения - и классическое, и квантовомеханическое, и они мало отличаются друг от друга.

    Подобно теор ии a -распада строится и квантовомеханическая теор ия рождения Вселенной. Естественно, задачу сейчас решают лишь в самом грубом приближении, рассматривая всего две величины - радиус замкнутой Вселенной а(t) и скалярное поле j. В квантовой теор ии вводятся соответствующие импульсы Р a и Р j ; строится волновая функция Y (а, j ). Импульс Р a = М eff = f(a)a" пропорционален скорости расширения, и в классическом пределе можно найти а" = d a/d t, а значит, и время

    Заметим также, что квантовая теор ия даже в сегодняшнем неразвитом ее состоянии дает аргумент в пользу замкнутой Вселенной (в отличие от бесконечной плоской или открытой Вселенной). Только для замкнутой Вселенной можно определить некое небесконечное значение эффективной массы М eff . Какой бы формулировкой квантовой механики мы ни пользовались (волновая функция, или "интегрирование по путям", или любой иной), вероятность спонтанного рождения бесконечной Вселенной тождественно равна нулю *.

    * А. А. Старобинский и я рассматривали плоскую Вселенную, конечную, как тор, за счет отождествления противоположных стенок куба. Однако при этом теряется точная изотропия пространства: направления по диагоналям куба не эквивалентны направлениям, перпендикулярным сторонам или ребром. Однако формального опровержения такой гипотез ы еще нет.

    В целом, однако, интерпретация полученных результатов остается не вполне ясной. Квантовомеханические формулы указывают на возможность рождения Вселенной. Представляют интерес результаты в части сравнения вероятности рождения Вселенной с тем или иным начальным значением скалярного поля (р. По-видимому, более вероятны большие значения (р, обеспечивающие достаточно большую инфляцию"^ на классической фазе. Однако нет интерпретации абсолютного значения волновой функции и вероятности. Есть и более глубокие основания для скепсиса по отношению к конкретным теор иям рождения Вселенной "из ничего".

    Дело в том, что развитие фундаментальной физики еще явно не закончено! Более того, именно сейчас оживают все более геометризованные теор ии элементарных частиц. С одной стороны, это. теор ии, объединяющие бозоны и фермионы, объединяющие внутренние переменные частиц и полей с координатами и преобразованиями Лоренца. В перспективе эти теор ии должны дать и прямое доказательство существования скалярных полей, а также определить их свойства. Рано или поздно возникнет и теор ия масс частиц, и физики скажут нам, что такое скрытая масса, которую открыли астрономы. Еще более близкое отношение к вопросу о рождении Вселенной имеют гипотез ы о пространстве-времени высокой размерности. Еще в конце 20-х годов была сформулирована идея, согласно которой есть одна "лишняя" координата Х 4 , свернутая в кольцо длиной l=2p R, где R - радиус кольца *. Схематически ситуация изображена на рисунке. Три пространственных координаты X 1 , Х 2 , Х 3 заменены одной Х вдоль трубки.

    * Такое замыкание, ограничивающее интервал изменения координаты Х 4 малой величиной I (Х 4 + I = Х 4 ), математики называют компактификацией. Мы назовем эту координату Х 4 , имея в виду, что время обычно обозначают Х 0 , а пространственные координаты - X 1 , Х 2 , Х 3 ), В итоге пространство - время оказывается пятимерным. Такую теор ию предложили физики Т. Калуца и О. Клейн еще в 20-х годах.

    В квантовой теор ии движение вдоль Х 4 или локализация частицы пр координате Х 4 требуют гигантских энерги и. Поэтому во всех опытах вплоть до самых больших энерги й, 10 17 или даже 10 19 ГэВ (сравните с 10 3 ГэВ на ускорителях 80-х годов), нет движения по особой координате Х 4 (или от Х 4 до Х 9 ). Теор етики говорят, что в низкоэнергетическом пределе пространство-время остается эффективно четырехмерным. Если к тому же ограничиваться размерами, малыми по сравнению с астрономическими, то пространство и время описываются старой доброй метрикой Минковского.

    Схематичное изображение пространства Капуцы- Клейна. Показано сечение одного заданного значения времени X 0 =const, три пространственные координаты X 1 , Х 2 , Х 3 заменены одной - X. В итоге получилась двумерная поверхность трубки с координатами X, X 4 на поверхности.
    И тем не менее, введение в рассмотрение дополнительных измерений - Х 4 в простейшем примере - не проходит бесследно. Можно рассмотреть малые изменения метрики, при которых координатная ось дополнительного измерения Х 4 предполагается не перпендикулярной координатной сетке основных (макроскопических) измерений. Оказывается, что эффективно такое предположение эквивалентно появлению электромагнитного поля в обычном пространстве.

    Увеличение числа компактифицированных ("свернутых") переменных с 1 до 6 или 7 (переход к 10-мерному исходному пространству-времени) дает возможность ввести не только электромагнитное поле, но и те поля (W ± , Z°), которые описывают слабое взаимодействие, и поля (глюонные), которые описывают сильное взаимодействие. К тому же, теор ия суперсимметрии, объединяющая бозонные поля (такие, в частности, как электромагнитное) и фермионные поля (такие, как электрон-позитронное), тоже "геометрична", она вводит новые - удивительные, но геометрические переменные. Мечта А. Эйнштейна о геометризации всей физики сегодня представляется гораздо более реальной, чем это казалось всего 5 или 10 лет назад.

    Но почему я пишу обо всем этом в космологической статье?

    Первая (не самая главная) причина состоит в том, что мы, наконец, присутствуем при рождении теор ий, для которых скалярные поля являются необходимым следствием. О значении скалярных полей уже говорилось - без них не было бы инфляционной Вселенной. Поляризация вакуума как источник энерги и и отрицательного давления для инфляции (раздувания) Вселенной, есть тоже разновидность скалярного поля.

    Однако более существен и более специфичен второй аспект влияния теор ий с "лишними" измерениями на космологию. В момент рождения в замкнутом мире пространственные переменные X 1 , Х 2 , Х 3 меняются в очень узких пределах порядка 0 < 2p а(t), где а(t) стремтся к 0 при t, стремящемся к 0. Естественно предположить в таком случае, что в действительности Вселенная рождается симметричной по всем пространственным переменным (размерность Д = 5 или выше). Разделение геометрических переменных на "внутренние", т. е. компактифицированные, Д = 4 переменные и на обычные геометрические три переменные и время происходит лишь позже. Это разделение представляет собой типичное спонтанное (самопроизвольн ое) нарушение симметрии! Первоначально мы имеем, например, 9-мерный "шар", все направления в котором эквивалентны, а позже 6 измерений застывают с а 4 -а 9 (их характерные размеры порядка 10 -33 см) *, а три измерения растут экспоненциально и, в конце концов, становятся больше 5000 Мпк = 10 28 см, т. е. больше всей наблюдаемой области Вселенной. Намерения у нас остались те же, что и раньше,- описать рождение Вселенной "из ничего". Однако конкретная реализация этого намерения становится совсем другой по сравнению с первыми вариантами.

    * Размер 10 - 33 см соответствует энерги и 10 19 ГэВ, при которой квантовые свойства гравитации становятся существенными. (Прим. ред.) *


    Рождение симметричного мира с координатами X 4 и X 1 , Х 2 , Х 3 при "замораживании" X 4 (в момент t 2 ). Этот рисунок создает у читателя неправильное впечатление о неоднородности пространства (большая кривизна на концах эллипса). Однако нужно помнить, что в многомерной геометрии существуют пространства (так называемые решения Бланки), однородные, но с разной кривизной по разным направлениям. К сожалению, я не умею изображать их на плоскости рисунка.
    Итак, дальнейшее продвижение космологии требует коренного развития физики микромира. Не только "Великое объединение" разных взаимодействий, но и предстоящее "Самое великое объединение" микромира и космологии - такова наиболее фундаментальная и амбициозная программа конца XX века.

    ПОСЛЕСЛОВИЕ

    2 декабря 1987 г. скоропостижно скончался выдающийся советский физик академик Я.Б. Зельдович. Его 56-летняя необыкновенно плодотворная научная деятельность охватывает такие разнородные области, как химическая физика, теор ия элементарных частиц, работы по реактивному, ядерному и термоядерному оружию и - в последние 25 лет - по астрофизике и космологии. Очень велики заслуги Зельдовича как учителя молодых ученых, автора монографий, популярных статей и обзоров.

    Об одном из них * особенно уместно здесь вспомнить, так как его тема недавно обсуждалась на страницах журнала **. Речь идет о так называемой "релятиви стской теор ии гравитации" (РТГ), авторы которой пытаются противопоставить ее общей теор ии относительности Эйнштейна (ОТО). Зельдович и Грищук убедительно показали, что фактически речь идет об эквивалентной формулировке уравнений теор ии Эйнштейна, а не о новой теор ии. В РТГ вводится, наряду с искривленным пространством Римана, вспомогательное плоское пространство. Однако неправомерно интерпретировать величины, определенные в терминах этого пространства, в качестве наблюдаемых. Неправильно утверждение авторов РТГ о неоднозначности выводов ОТО. Необоснован и отказ от рассмотрения иных, чем у мира Минковского, топологических структур пространства-времени, в частности от рассмотрения космологической модели замкнутой Вселенной. Именно эта модель представляется наиболее правдоподобной. Она обсуждается в данной статье Зельдовича.

    * Зельдович Я. Б., Грищук Л. П. Тяготение, ОТО и альтернативные теор ии // Усп. физ. наук. 1986. Т. 149. Вып. 4. С. 695- 707.

    ** Логунов А. А. Релятиви стская теор ия гравитации // Природа. 1987. № 1. С. 36-47.

    Работы Зельдовича в значительной степени способствовали возникновению нового научного направления, лежащего на стыке теор ии элементарных частиц, астрофизики и космологии. Вся Вселенная при этом выступает в качестве гигантской лаборатории (или полигона) для проверки следствий современных теор ий и гипотез о природе элементарных частиц и пространства, в том числе в той области энерги й и масштабов, которые пока недоступны ускорителям.

    Зельдович ставит задачу построения полной космологической теор ии ранней Вселенной, описывающей самую первую, "квантово-гравитационную" стадию расширяющейся Вселенной и отвечающей на вопрос - как возникли качественные и количественные особенности строения Вселенной, проявляющиеся на более поздней стадии, почему Вселенная именно такова, какой мы ее наблюдаем. Полная космологическая теор ия глубочайшим образом связана с построением единой теор ии всех существующих взаимодействий элементарных частиц, т. е. электромагнитных, слабых, сильных и гравитационных взаимодействий; как предполагается, такая теор ия должна включать глубокий пересмотр представлений о структуре пространства на так называемом квантово-гравитационном масштабе (это масштаб порядка 10 -33 см в пространстве и порядка 10 -44 с для возраста Вселенной), для которого необходимо рассматривать квантово-гравитационные эффекты. Пока мы лишь приближаемся к пониманию всех этих самых фундаментальных вопросов о Природе. Есть много идей, много надежд, проделана и делается колоссальная работа, но, вероятно, еще гораздо больший путь впереди, может быть, бесконечный...

    Последняя статья Зельдовича, написанная, как всегда, очень живо, ясно и доходчиво, вводит читателя в эту волнующую, головокружительную проблематику.

    Аргументация Зельдовича в статье сильна и убедительна. Все же само состояние нашего знания сегодня таково, что некоторые утверждения являются гипотетическими, и не исключено, что в действительности все обстоит иначе. Зельдович неоднократно повторяет это. Позволю себе со своей стороны добавить еще несколько замечаний в том же направлении.

    В статье излагаются представления, согласно которым наблюдаемая барионная асимметрия Вселенной (и "скрытая" лептонная асимметрия) возникли на ранней (неравновесной) стадии расширения Вселенной вследствие различия свойств частиц и античастиц и отсутствия в природе точного закона сохранения числа барионов и лептонов. При этом как бы подразумевается, что барионная асимметрия имеет одинаковый знак не только в наблюдаемой нами области Вселенной, а вообще во всей Вселенной. Но на самом деле кажется наиболее правдоподобным, что различие свойств частиц и античастиц само носит вторичный характер и возникает из-за неустойчивости в системе взаимодействующих квантовых полей на ранней стадии эволюции (расширения) Вселенной. Поэтому в разных областях Вселенной, пространственно удаленных друг от друга и, вероятно, очень больших (миллиарды световых лет), различие свойств частиц и античастиц и, соответственно, барионная асимметрия могут иметь разный знак. Предполагается, что в наблюдаемой нами части Вселенной есть только вещество, но где-то "много дальше" лежат антибарионные области (состоящие из антивещества, в частности из антипротонов, антинейтронов и позитронов). В замкнутой Вселенной суммарные объемы барионных и антибарионных областей, вообще говоря, различны, и даже не исключено, что вся Вселенная состоит из одной барионной области. Подчеркнем, что вся эта картина совершенно отлична от предполагавшейся ранее некоторыми авторами в рамках модели с сохранением барионного заряда и пространственным разделением барионов и антибарионов при помощи каких-то неизвестных гипотетических процессов.

    Другое замечание относится к гипотез е пульсирующей Вселенной. Безусловно правильно, что в ходе сжатия Вселенной можно ожидать огромной неустойчивости, нарушения однородности и изотропии. Но это само по себе не исключает возможности в будущем бесконечного числа пульсаций (циклов расширения и сжатия Вселенной). При этом не исключено также, что существуют "выравнивающие" механизмы (типа вязкости), и хотя бы в некоторых пульсациях Вселенная будет качественно похожей на. нашу ("не исключено" означает, что мы не можем на теперешнем уровне знаний ни опровергнуть, ни обосновать эти возможности).

    Я писал о пульсациях в будущем. Но можно ли представить себе такую модель Вселенной, которая приводит к бесконечной последовательности пульсаций, продолжаемой и в будущее, и в прошлое! Повидимому, существует по крайней мере один вариант. Рассмотрим пространственно-плоскую бесконечную Вселенную. Предположим, что в уравнениях общей теор ии относительности присутствует член с так называемой космологической постоянной. Еще Эйнштейн постул ировал в одной из работ наличие такого члена с положительной космологической постоянной. Мы предполагаем, что космологическая постоянная отрицательна, что эквивалентно "самопритяжению" вакуума и приводит к периодическим пульсациям Вселенной. При этом, так как объем Вселенной, радиус ее кривизны и энтропия бесконечны, происходящий, согласно второму началу термодинамики, рост энтропии не обусловливает каких-либо качественных различий между пульсациями.

    Наиболее интересна рассматриваемая в статье Зельдовича модель замкнутой Вселенной. В этом случае энтропия конечна и закон ее возрастания, по-видимому, исключает возможность экстрапол ировать историю Вселенной в бесконечное прошлое. Однако и тут существует "лазейка". Можно предположить, что числовая ось времени представляет собой бесконечную в обе стороны прямую, при этом в одной ее точке энтропия Вселенной равна нулю. Для определенности предположим, что в этот момент Вселенная существует в виде очень маленького замкнутого объема, например трехмерной сферы (представляющей собой трехмерное обобщение известной всем с детства двумерной сферы). Нулевую энтропию имеет, по определению, вакуум.

    В современных теор иях поля (об этом пишет Зельдович в своей статье) вакуум может существовать в нескольких состояниях: с равной нулю плотностью энерги и - это "обычный" вакуум, а также с положительной плотностью энерги и и отрицательным давлением - это "ложный" вакуум, обладающий свойством "самоотталкивания". "Ложный" вакуум неустойчив и за некоторое время переходит в "обычный" с образованием различных частиц и полей и соответствующим увеличением энтропии. Пока "ложный" вакуум существует, Вселенная расширяется по экспоненциальному закону, а точнее, в окрестности нулевой точки - по закону гиперболического косинуса. Вся картина качественно симметрична относительно нулевой точки.

    Особенно существенно, что энтропия автоматически возрастает при удалении от особой точки в обе стороны. Ведь энтропия, по самому своему определению, положительная величина! Таким образом, мы имеем как бы две невзаимодействующие Вселенные, существующие независимо друг от друга, с обратным ходом времени в одной Вселенной по отношению к другой. В 1967 г. я описал подобную ситуацию, употребив термин "поворот стрелы времени" *. Предполагать "рождение" Вселенной в такой модели, вероятно, нет необходимости, но оно не исключено.

    * Сахаров А. Д. // Письма в ЖЭТФ. 1967. Т. 5. С. 32-35.

    Все это я пишу не для того, чтобы бросить тень на идею квантового рождения Вселенной в особой точке времени, а чтобы указать на большую неопределенность в нашем понимании ситуации. Эта неопределенность носит глубоко принципиальный даже философский характер. Философски острым является, в частности, вопрос о так называемом антропном принципе, объясняющем особенности нашей Вселенной тем, что только в такой Вселенной могла возникнуть разумная жизнь, в отличие от бесконечного числа других, спонтанно возникающих "мертвых" Вселенных.

    В статье Зельдовича показано, что, по крайней мере, нет препятствий к квантовому рождению Вселенной со стороны основных физических законов сохранения. Вселенная при этом должна быть замкнутой (иметь конечный объем).

    Академик А. Д. Сахаров

    Вопрос о происхождении Вселенной со всеми ее известными и пока неведомыми свойствами испокон веков волнует человека. Но только в XX веке, после обнаружения космологического расширения, вопрос об эволюции Вселенной стал понемногу проясняться. Последние научные данные позволили сделать вывод, что наша Вселенная родилась 15 миллиардов лет назад в результате Большого взрыва. Но что именно взорвалось в тот момент и что, собственно, существовало до Большого взрыва, по-прежнему оставалось загадкой. Созданная в конце XX века инфляционная теория появления нашего мира позволила существенно продвинуться в разрешении этих вопросов, и общая картина первых мгновений Вселенной сегодня уже неплохо прорисована, хотя многие проблемы еще ждут своего часа.

    Научный взгляд на сотворение мира

    До начала прошлого века было всего два взгляда на происхождение нашей Вселенной. Ученые полагали, что она вечна и неизменна, а богословы говорили, что Мир сотворен и у него будет конец. Двадцатый век, разрушив очень многое из того, что было создано в предыдущие тысячелетия, сумел дать свои ответы на большинство вопросов, занимавших умы ученых прошлого. И быть может, одним из величайших достижений ушедшего века является прояснение вопроса о том, как возникла Вселенная, в которой мы живем, и какие существуют гипотезы по поводу ее будущего.

    Простой астрономический факт — расширение нашей Вселенной — привел к полному пересмотру всех космогонических концепций и разработке новой физики — физики возникающих и исчезающих миров. Всего 70 лет назад Эдвин Хаббл обнаружил, что свет от более далеких галактик «краснее» света от более близких. Причем скорость разбегания оказалась пропорциональна расстоянию от Земли (закон расширения Хаббла). Обнаружить это удалось благодаря эффекту Доплера (зависимости длины волны света от скорости источника света). Поскольку более далекие галактики кажутся более «красными», то предположили, что и удаляются они с большей скоростью. Кстати, разбегаются не звезды и даже не отдельные галактики, а скопления галактик. Ближайшие от нас звезды и галактики связаны друг с другом гравитационными силами и образуют устойчивые структуры. Причем в каком направлении ни посмотри, скопления галактик разбегаются от Земли с одинаковой скоростью, и может показаться, что наша Галактика является центром Вселенной, однако это не так. Где бы ни находился наблюдатель, он будет везде видеть все ту же картину — все галактики разбегаются от него.

    Но такой разлет вещества обязан иметь начало. Значит, все галактики должны были родиться в одной точке. Расчеты показывают, что произошло это примерно 15 млрд. лет назад. В момент такого взрыва температура была очень большой, и должно было появиться очень много квантов света. Конечно, со временем все остывает, а кванты разлетаются по возникающему пространству, но отзвуки Большого взрыва должны были сохраниться до наших дней.

    Первое подтверждение факта взрыва пришло в 1964 году, когда американские радиоастрономы Р. Вильсон и А. Пензиас обнаружили реликтовое электромагнитное излучение с температурой около 3° по шкале Кельвина (–270°С). Именно это открытие, неожиданное для ученых, убедило их в том, что Большой взрыв действительно имел место и поначалу Вселенная была очень горячей.

    Теория Большого взрыва позволила объяснить множество проблем, стоявших перед космологией. Но, к сожалению, а может, и к счастью, она же поставила и ряд новых вопросов. В частности: Что было до Большого взрыва? Почему наше пространство имеет нулевую кривизну и верна геометрия Евклида, которую изучают в школе? Если теория Большого взрыва справедлива, то отчего нынешние размеры нашей Вселенной гораздо больше предсказываемого теорией 1 сантиметра? Почему Вселенная на удивление однородна, в то время как при любом взрыве вещество разлетается в разные стороны крайне неравномерно? Что привело к начальному нагреву Вселенной до невообразимой температуры более 10 13 К?

    Все это указывало на то, что теория Большого взрыва неполна. Долгое время казалось, что продвинуться далее уже невозможно. Только четверть века назад благодаря работам российских физиков Э. Глинера и А. Старобинского, а также американца А. Гуса было описано новое явление — сверх-быстрое инфляционное расширение Вселенной. Описание этого явления основывается на хорошо изученных разделах теоретической физики — общей теории относительности Эйнштейна и квантовой теории поля. Сегодня считается общепринятым, что именно такой период, получивший название «инфляция», предшествовал Большому взрыву.

    Суть инфляции

    При попытке дать представление о сущности начального периода жизни Вселенной приходится оперировать такими сверхмалыми и сверхбольшими числами, что наше воображение с трудом их воспринимает. Попробуем воспользоваться некоей аналогией, чтобы понять суть процесса инфляции.

    Представим себе покрытый снегом горный склон, в который вкраплены разнородные мелкие предметы — камешки, ветки и кусочки льда. Кто-то, находящийся на вершине этого склона, сделал небольшой снежок и пустил его катиться с горы. Двигаясь вниз, снежок увеличивается в размерах, так как на него налипают новые слои снега со всеми включениями. И чем больше размер снежка, тем быстрее он будет увеличиваться. Очень скоро из маленького снежка он превратится в огромный ком. Если склон заканчивается пропастью, то он полетит в нее со все более увеличивающейся скоростью. Достигнув дна, ком ударится о дно пропасти и его составные части разлетятся во все стороны (кстати, часть кинетической энергии кома при этом пойдет на нагрев окружающей среды и разлетающегося снега). Теперь опишем основные положения теории, используя приведенную аналогию. Прежде всего физикам пришлось ввести гипотетическое поле, которое было названо «инфлатонным» (от слова «инфляция»). Это поле заполняло собой все пространство (в нашем случае — снег на склоне). Благодаря случайным колебаниям оно принимало разные значения в произвольных пространственных областях и в различные моменты времени. Ничего существенного не происходило, пока случайно не образовалась однородная конфигурация этого поля размером более 10 -33 см. Что же касается наблюдаемой нами Вселенной, то она в первые мгновения своей жизни, по-видимому, имела размер 10 -27 см. Предполагается, что на таких масштабах уже справедливы основные законы физики, известные нам сегодня, поэтому можно предсказать дальнейшее поведение системы. Оказывается, что сразу после этого пространственная область, занятая флуктуацией (от лат. fluctuatio — «колебание», случайные отклонения наблюдаемых физических величин от их средних значений), начинает очень быстро увеличиваться в размерах, а инфлатонное поле стремится занять положение, в котором его энергия минимальна (снежный ком покатился). Такое расширение продолжается всего 10 -35 секунды, но этого времени оказывается достаточно для того, чтобы диаметр Вселенной возрос как минимум в 10 27 раз и к окончанию инфляционного периода наша Вселенная приобрела размер примерно 1 см. Инфляция заканчивается, когда инфлатонное поле достигает минимума энергии — дальше падать некуда. При этом накопившаяся кинетическая энергия переходит в энергию рождающихся и разлетающихся частиц, иначе говоря, происходит нагрев Вселенной. Как раз этот момент и называется сегодня Большим взрывом.

    Гора, о которой говорилось выше,может иметь очень сложный рельеф—несколько разных минимумов, долины внизу и всякие холмы и кочки. Снежные комья (будущие вселенные) непрерывно рождаются наверху горы за счет флуктуаций поля. Каждый ком может скатиться в любой из минимумов, породив при этом свою вселенную со специфическими параметрами. Причем вселенные могут существенно отличаться друг от друга. Свойства нашей Вселенной удивительнейшим образом приспособлены к тому, чтобы в ней возникла разумная жизнь. Другим вселенным, возможно, повезло меньше.

    Еще раз хотелось бы подчеркнуть, что описанный процесс рождения Вселенной «практически из ничего» опирается на строго научные расчеты. Тем не менее у всякого человека, впервые знакомящегося с инфляционным механизмом, описанным выше, возникает немало вопросов.

    В ответ на каверзные вопросы

    Сегодня наша Вселенная состоит из большого числа звезд, не говоря уж о скрытой массе. И может показаться, что полная энергия и масса Вселенной огромны. И совершенно непонятно, как это все могло поместиться в первоначальном объеме 10 -99 см 3 . Однако во Вселенной существует не только материя, но и гравитационное поле. Известно, что энергия последнего отрицательна и, как оказалось, в нашей Вселенной энергия гравитации в точности компенсирует энергию, заключенную в частицах, планетах, звездах и прочих массивных объектах. Таким образом, закон сохранения энергии прекрасно выполняется, и суммарная энергия и масса нашей Вселенной практически равны нулю. Именно это обстоятельство отчасти объясняет, почему зарождающаяся Вселенная тут же после появления не превратилась в огромную черную дыру. Ее суммарная масса была совершенно микроскопична, и вначале просто нечему было коллапсировать. И только на более поздних стадиях развития появились локальные сгустки материи, способные создавать вблизи себя такие гравитационные поля, из которых не может вырваться даже свет. Соответственно, и частиц, из которых «сделаны» звезды, на начальной стадии развития просто не существовало. Элементарные частицы начали рождаться в тот период развития Вселенной, когда инфлатонное поле достигло минимума потенциальной энергии и начался Большой взрыв.

    Область, занятая инфлатонным полем, разрасталась со скоростью, существенно большей скорости света, однако это нисколько не противоречит теории относительности Эйнштейна. Быстрее света не могут двигаться лишь материальные тела, а в данном случае двигалась воображаемая, нематериальная граница той области, где рождалась Вселенная (примером сверхсветового движения является перемещение светового пятна по поверхности Луны при быстром вращении освещающего ее лазера).

    Причем окружающая среда совсем не сопротивлялась расширению области пространства, охваченного все более быстро разрастающимся инфлатонным полем, поскольку ее как бы не существует для возникающего Мира. Общая теория относительности утверждает, что физическая картина, которую видит наблюдатель, зависит от того, где он находится и как движется. Так вот, описанная выше картина справедлива для «наблюдателя», находящегося внутри этой области. Причем этот наблюдатель никогда не узнает, что происходит вне той области пространства, где он находится. Другой «наблюдатель», смотрящий на эту область снаружи, никакого расширения вовсе не обнаружит. В лучшем случае он увидит лишь небольшую искорку, которая по его часам исчезнет почти мгновенно. Даже самое изощренное воображение отказывается воспринимать такую картину. И все-таки она, по-видимому, верна. По крайней мере, так считают современные ученые, черпая уверенность в уже открытых законах Природы, правильность которых многократно проверена.

    Надо сказать, что это инфлатонное поле и сейчас продолжает существовать и флуктуировать. Но только мы, внутренние наблюдатели, не в состоянии этого увидеть — ведь для нас маленькая область превратилась в колоссальную Вселенную, границ которой не может достигнуть даже свет.

    Итак, сразу после окончания инфляции гипотетический внутренний наблюдатель увидел бы Вселенную, заполненную энергией в виде материальных частиц и фотонов. Если всю энергию, которую мог бы измерить внутренний наблюдатель, перевести в массу частиц, то мы получим примерно 10 80 кг. Расстояния между частицами быстро увеличиваются из-за всеобщего расширения. Гравитационные силы притяжения между частицами уменьшают их скорость, поэтому расширение Вселенной после завершения инфляционного периода постепенно замедляется.

    Эти опасные античастицы

    Сразу после рождения Вселенная продолжала расти и охлаждаться. При этом охлаждение происходило в том числе и благодаря банальному расширению пространства. Электромагнитное излучение характеризуется длиной волны, которую можно связать с температурой — чем больше средняя длина волны излучения, тем меньше температура. Но если пространство расширяется, то будут увеличиваться и расстояние между двумя «горбами» волны, и, следовательно, ее длина. Значит, в расширяющемся пространстве и температура излучения должна уменьшаться. Что и подтверждает крайне низкая температура современного реликтового излучения.

    По мере расширения меняется и состав материи, наполняющей наш мир. Кварки объединяются в протоны и нейтроны, и Вселенная оказывается заполненной уже знакомыми нам элементарными частицами — протонами, нейтронами, электронами, нейтрино и фотонами. Присутствуют также и античастицы. Свойства частиц и античастиц практически идентичны. Казалось бы, и количество их должно быть одинаковым сразу после инфляции. Но тогда все частицы и античастицы взаимно уничтожились бы и строительного материала для галактик и нас самих не осталось бы. И здесь нам опять повезло. Природа позаботилась о том, чтобы частиц было немного больше, чем античастиц. Именно благодаря этой небольшой разнице и существует наш мир. А реликтовое излучение — это как раз последствие аннигиляции (то есть взаимоуничтожения) частиц и античастиц. Конечно, на начальном этапе энергия излучения была очень велика, но благодаря расширению пространства и как следствие — охлаждению излучения эта энергия быстро убывала. Сейчас энергия реликтового излучения примерно в десять тысяч раз (10 4 раз) меньше энергии, заключенной в массивных элементарных частицах.

    Постепенно температура Вселенной упала до 10 10 К. К этому моменту возраст Вселенной составлял примерно 1 минуту. Только теперь протоны и нейтроны смогли объединяться в ядра дейтерия, трития и гелия. Это происходило благодаря ядерным реакциям, которые люди уже хорошо изучили, взрывая термоядерные бомбы и эксплуатируя атомные реакторы на Земле. Поэтому можно уверенно предсказывать, сколько и каких элементов может появиться в таком ядерном котле. Оказалось, что наблюдаемое сейчас обилие легких элементов хорошо согласуется с расчетами. Это означает, что известные нам физические законы одинаковы во всей наблюдаемой части Вселенной и были таковыми уже в первые секунды после появления нашего мира. Причем около 98% существующего в природе гелия образовалось именно в первые секунды после Большого взрыва.

    Зарождение галактик

    Сразу после рождения Вселенная проходила инфляционный период развития — все расстояния стремительно увеличивались (с точки зрения внутреннего наблюдателя). Однако плотность энергии в разных точках пространства не может быть в точности одинаковой — какие-то неоднородности всегда присутствуют. Предположим, что в какой-то области энергия немного больше, чем в соседних. Но раз все размеры быстро растут, то и размер этой области тоже должен расти. После окончания инфляционного периода эта разросшаяся область будет иметь чуть больше частиц, чем окружающее ее пространство, да и ее температура будет немного выше.

    Поняв неизбежность возникновения таких областей, сторонники инфляционной теории обратились к экспериментаторам: «необходимо обнаружить флуктуации температуры…» — констатировали они. И в 1992 году это пожелание было выполнено. Практически одновременно российский спутник «Реликт-1» и американский «COBE» обнаружили требуемые флуктуации температуры реликтового излучения. Как уже говорилось, современная Вселенная имеет температуру 2,7 К, а найденные учеными отклонения температуры от среднего составляли примерно 0,00003 К. Неудивительно, что такие отклонения трудно было обнаружить раньше. Так инфляционная теория получила еще одно подтверждение.

    С открытием колебаний температуры появилась еще одна захватывающая возможность — объяснить принцип формирования галактики. Ведь чтобы гравитационные силы сжимали материю, необходим исходный зародыш — область с повышенной плотностью. Если материя распределена в пространстве равномерно, то гравитация, подобно Буриданову ослу, не знает, в каком направлении ей действовать. Но как раз области с избытком энергии и порождает инфляция. Теперь гравитационные силы знают, на что воздействовать, а именно, на более плотные области, созданные во время инфляционного периода. Под действием гравитации эти изначально чуть-чуть более плотные области будут сжиматься и именно из них в будущем образуются звезды и галактики.

    Счастливое настоящее

    Современный нам момент эволюции Вселенной крайне удачно приспособлен для жизни, и длиться он будет еще много миллиардов лет. Звезды будут рождаться и умирать, галактики вращаться и сталкиваться, а скопления галактик — улетать все дальше друг от друга. Поэтому времени для самосовершенствования у человечества предостаточно. Правда, само понятие «сейчас» для такой огромной Вселенной, как наша, плохо определено. Так, например, наблюдаемая астрономами жизнь квазаров, удаленных от Земли на 10—14 млрд. световых лет, отстоит от нашего «сейчас» как раз на те самые 10—14 млрд. лет.

    Сегодня ученые в состоянии объяснить большинство свойств нашей Вселенной, начиная с момента в 10 -42 секунды и до настоящего времени и даже далее. Они могут также проследить образование галактик и довольно уверенно предсказать будущее Вселенной. Тем не менее ряд «мелких» непонятностей еще остается. Это прежде всего — сущность скрытой массы (темной материи) и темной энергии. Кроме того, существует много моделей, объясняющих, почему наша Вселенная содержит гораздо больше частиц, чем античастиц, и хотелось бы определиться в конце концов с выбором одной правильной модели.

    Как учит нас история науки, обычно именно «мелкие недоделки» и открывают дальнейшие пути развития, так что будущим поколениям ученых наверняка будет чем заняться. Кроме того, более глубокие вопросы тоже уже стоят на повестке дня физиков и математиков. Почему наше пространство трехмерно? Почему все константы в природе словно «подогнаны» так, чтобы возникла разумная жизнь? И что же такое гравитация? Ученые уже пытаются ответить и на эти вопросы.

    Ну и конечно, оставим место для неожиданностей. Не надо забывать, что такие основополагающие открытия, как расширение Вселенной, наличие реликтовых фотонов и энергия вакуума, были сделаны, можно сказать, случайно и не ожидались ученым сообществом.

    Энергия вакуума — происхождение и последствия

    Что же ждет нашу Вселенную в дальнейшем? Еще несколько лет назад у теоретиков в этой связи имелись всего две возможности. Если плотность энергии во Вселенной мала, то она будет вечно расширяться и постепенно остывать. Если же плотность энергии больше некоторого критического значения, то стадия расширения сменится стадией сжатия. Вселенная будет сжиматься в размерах и нагреваться. Значит, одним из ключевых параметров, определяющим развитие Вселенной, является средняя плотность энергии. Так вот, астрофизические наблюдения, проводимые до 1998 года, говорили о том, что плотность энергии составляет примерно 30% от критического значения. А инфляционные модели предсказывали, что плотность энергии должна быть равна критической. Апологетов инфляционной теории это не очень смущало. Они отмахивались от оппонентов и говорили, что недостающие 70% «как-нибудь найдутся». И они действительно нашлись. Это большая победа теории инфляции, хотя найденная энергия оказалась такой странной, что вызвала больше вопросов, чем ответов.
    Похоже, что искомая темная энергия — это энергия самого вакуума.

    В представлении людей, не связанных с физикой, вакуум — «это когда ничего нет» — ни вещества, ни частиц, ни полей. Однако это не совсем так. Стандартное определение вакуума — это состояние, в котором отсутствуют частицы. Поскольку энергия заключена именно в частицах, то, как резонно полагали едва ли не все, включая и ученых, нет частиц — нет и энергии. Значит, энергия вакуума равна нулю. Вся эта благостная картина рухнула в 1998 году, когда астрономические наблюдения показали, что разбегание галактик немножко отклоняется от закона Хаббла. Вызванный этими наблюдениями у космологов шок длился недолго. Очень быстро стали публиковаться статьи с объяснением этого факта. Самым простым и естественным из них оказалась идея о существовании положительной энергии вакуума. Ведь вакуум, в конце концов, означает просто отсутствие частиц, но почему лишь частицы могут обладать энергией? Обнаруженная темная энергия оказалась распределенной в пространстве на удивление однородно. Подобную однородность трудно осуществить, ведь если бы эта энергия была заключена в каких-то неведомых частицах, гравитационное взаимодействие заставляло бы их собраться в грандиозные конгломераты, подобные галактикам. Поэтому энергия, спрятанная в пространстве-вакууме, очень изящно объясняет устроение нашего мира.

    Однако возможны и другие, более экзотические, варианты мироустроения. Например, модель Квинтэссенции, элементы которой были предложены советским физиком А.Д. Долговым в 1985 году, предполагает, что мы все еще скатываемся с той самой горки, о которой говорилось в начале нашего повествования. Причем катимся мы уже очень долго, и конца этому процессу не видно. Необычное название, позаимствованное у Аристотеля, обозначает некую «новую сущность», призванную объяснить, почему мир устроен так, а не иначе.

    Сегодня вариантов ответа на вопрос о будущем нашей Вселенной стало значительно больше. И они существенно зависят от того, какая теория, объясняющая скрытую энергию, является правильной. Предположим, что верно простейшее объяснение, при котором энергия вакуума положительна и не меняется со временем. В этом случае Вселенная уже никогда не сожмется и нам не грозит перегрев и Большой хлопок. Но за все хорошее приходится платить. В этом случае, как показывают расчеты, мы в будущем никогда не сможем достигнуть всех звезд. Более того, количество галактик, видимых с Земли, будет уменьшаться, и через 10—20 млрд. лет в распоряжении человечества останется всего несколько соседних галактик, включая нашу — Млечный Путь, а также соседнюю Андромеду. Человечество уже не сможет увеличиваться количественно, и тогда придется заняться своей качественной составляющей. В утешение можно сказать, что несколько сотен миллиардов звезд, которые будут нам доступны в столь отдаленном будущем, — это тоже немало.

    Впрочем, понадобятся ли нам звезды? 20 миллиардов лет — большой срок. Ведь всего за несколько сот миллионов лет жизнь развилась от трилобитов до современного человека. Так что наши далекие потомки, возможно, будут по внешнему виду и возможностям отличаться от нас еще больше, чем мы от трилобитов. Что же сулит им еще более отдаленное будущее, по прогнозам современных ученых? Ясно, что звезды будут тем или иным способом «умирать», но будут образовываться и новые. Этот процесс тоже не бесконечен — примерно через 10 14 лет, по предположению ученых, во Вселенной останутся только слабосветящиеся объекты — белые и темные карлики, нейтронные звезды и черные дыры. Почти все они также погибнут через 10 37 лет, исчерпав все запасы своей энергии. К этому моменту останутся лишь черные дыры, поглотившие всю остальную материю. Что может разрушить черную дыру? Любые наши попытки сделать это лишь увеличивают ее массу. Но «ничто не вечно под Луной». Оказывается, черные дыры медленно, но излучают частицы. Значит, их масса постепенно уменьшается. Все черные дыры тоже должны исчезнуть примерно через 10 100 лет. После этого останутся лишь элементарные частицы, расстояние между которыми будет намного превосходить размеры современной Вселенной (примерно в 10 90 раз) — ведь все это время Вселенная расширялась! Ну и, конечно, останется энергия вакуума, которая будет абсолютно доминировать во Вселенной.

    Кстати, свойства такого пространства впервые изучил В. де Ситтер еще в 1922 году. Так что нашим потомкам предстоит либо изменить физические законы Вселенной, либо перебраться в другие вселенные. Сейчас это кажется невероятным, но хочется верить в могущество человечества, как бы оно, человечество, ни выглядело в столь отдаленном будущем. Потому что времени у него предостаточно. Кстати, возможно, что уже и сейчас мы, сами того не ведая, создаем новые вселенные. Для того чтобы в очень маленькой области возникла новая вселенная, необходимо инициировать инфляционный процесс, который возможен только при высоких плотностях энергий. А ведь экспериментаторы уже давно создают такие области, сталкивая частицы на ускорителях… И хотя эти энергии еще очень далеки от инфляционных, вероятность создания вселенной на ускорителе уже не равна нулю. К сожалению, мы являемся тем самым «удаленным наблюдателем», для которого время жизни этой «рукотворной» вселенной слишком мало, и внедриться в нее и посмотреть, что там происходит, мы не можем...

    Возможные сценарии развития нашего мира
    1. Пульсирующая модель Вселенной, при которой вслед за периодом расширения наступает период сжатия и все заканчивается Большим хлопком
    2. Вселенная со строго подогнанной средней плотностью, в точности равной критической. В этом случае наш мир Евклидов, и его расширение все время замедляется
    3. Равномерно расширяющаяся по инерции Вселенная. Именно в пользу такой открытой модели мира до последнего времени свидетельствовали данные о подсчете средней плотности нашей Вселенной
    4. Мир, расширяющийся со все нарастающей скоростью. Новейшие экспериментальные данные и теоретические изыскания говорят о том, что Вселенная разлетается все быстрее, и несмотря на евклидовость нашего мира, большая часть галактик в будущем будет нам недоступна. И виновата в столь странном устроении мира та самая темная энергия, которую сегодня связали с некоей внутренней энергией вакуума, заполняющего все пространство

    Сергей Рубин, доктор физико-математических наук



    Поделиться: