Kitabı oku: «Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе», sayfa 3

Вселенная, рождённая из ничего

В 1973 году физик Эдвард Трайон опубликовал в журнале Nature статью под названием «Является ли Вселенная флюктуацией вакуума?»¹³ С тех пор эта идея успела окрепнуть. Возможно, наша Вселенная родилась в результате квантовой флюктуации в предыдущей. Все частицы, вся энергия нашего мира выплеснулись из темноты. Но разве могла наша Вселенная со временем и пространством родиться из флюктуации, которая сама возникла в истинном ничто?

Медитация часто начинается с довольно простого задания: сидеть и не делать ничего. Однако затем надо выполнить следующее: не думать ни о чём. Кто бы мог подумать, что это так трудно – ни о чём не думать? И знание квантовой физики здесь не помогает. Попробуйте представить себе ничто – полное ничто. С физической точки зрения это значит, что нет ни пространства, ни времени, ни энергии… Для начала, «нет энергии» звучит довольно расплывчато, ведь энергия может быть положительной или отрицательной. Значит, ничто – это скорее нулевая энергия. Что в соответствии с физическими теориями случится с таким «ничем»?

Существование квантовых флюктуаций говорит нам на языке принципа неопределённости: наша бытовая концепция «ничего», нулевой энергии, ошибочна. Предметы, которые мы представляем себе, не могут иметь точной, статичной, неизменной и однородной нулевой энергии. Согласно квантовой механике, энергия как физическая величина не имеет заранее известного значения: она флюктуирует от измерения к измерению. Мы можем, однако, определить среднее значение: при равновесии между положительными и отрицательными флюктуациями оно может быть нулевым.

Чтобы лучше понять статистическое значение нулевого среднего, проведём полезную, хоть, возможно, и чересчур упрощённую аналогию: игрок ставит на один из равновероятных исходов бросания монеты. У этого игрока есть странность: монетки для него бросают одновременно и независимо друг от друга два помощника, и у одного из них игрок каждый раз ставит на орла, а у другого – на решку. Ясно, что смысла в этой игре не очень много, но так и быть. С каждым броском игрок может выиграть одну ставку и проиграть другую, и тогда чистый выигрыш, как и проигрыш, будет равен нулю. В каждый момент времени игрок может оказаться в выигрыше, величина которого переменна, но настолько же, насколько значение его временного проигрыша. В конечном счёте выигрыши и проигрыши всегда уничтожают друг друга.

Баланс нашего игрока – аналог нулевой энергии Вселенной. Мы видим, что она наполнена энергией: невозможно не замечать, что нас окружает множество обладающих массой частиц, которые в соответствии с формулой E = mc² несут и энергию. Но, кроме этой положительной энергии, во Вселенной есть такое же огромное количество отрицательной. Отрицательна по своей сути гравитационная энергия, заключённая в силовом поле между массами, – потенциальная энергия. Это высказывание может на первый взгляд показаться странным, но с точки зрения физики оно просто означает, что, отодвигая одну массу от другой, мы должны потратить энергию. И если мы сложим всю положительную энергию Вселенной со всей отрицательной, они вполне могут уничтожить друг друга. А если так, то – вуаля! – перед нами Вселенная с нулевой энергией.

Идея рождения Вселенной в результате квантовых флюктуаций из ничего выглядит относительно новой на фоне мириадов других философских теорий сотворения мира. До того, как Эдвард Трайон в начале 1970-х выдвинул своё предложение, общее мнение о том, что было до Большого Взрыва, сводилось к невозможности достичь в этом хоть какого-то научного консенсуса. Этот вопрос бессмысленно было даже ставить – по крайней мере, перед наукой. Да и сейчас представляется, что он нерешаем без привлечения квантовой механики. Только рассматривая потенциальные квантовые свойства теории, сводящей воедино все известные факты, можно предложить возможный ответ на вопрос: почему в мире есть что-то, а не нет ничего?

Нулевая энергия – «серебряная пуля»?

Идея, что Вселенную породило ничто, истинное ничто без времени и пространства, оказывается в каком-то смысле идеальной. Выходит, уцепиться совершенно не за что! Какой вопрос о происхождении Вселенной ни задай, скорее всего, ответ на него будет сводиться к тому же самому «из ничего». Так родители, уставшие от бесконечных «почему» своих чад, в конце концов отвечают: «Потому что потому, отстань!».

Таким же отсутствием зацепок отличается и требование, чтобы произошедшая из ничего Вселенная имела нулевую энергию. Не требует объяснений и утверждение Гейзенберга, что Вселенная может существовать вечно. Короче говоря, идея появившейся из ничего Вселенной очень удобна. Все довольны! Впрочем… нет, пожалуй, всё-таки не все. При всей кажущейся идеальности гипотеза «мир из ничего» некоторых учёных совершенно не устраивает. Здравый смысл, плохой вообще-то проводник в вопросах научного понимания мира на очень малых и очень больших масштабах, упорно твердит: у мира должно быть какое-то «прежде» и какая-то причина, которая заставила Вселенную начать существовать. Но какое может быть «прежде» во время, когда не существовало времени?

В сущности, теорией «Вселенной из ничего» недовольно большинство космологов. Поиски альтернативного объяснения мира не прекращаются несколько десятков лет.¹⁴ Но сколько учёные ни всматриваются в уравнения общей теории относительности, добиться решения на этом пути не удаётся – во всяком случае, без радикальных изменений в самом фундаменте эйнштейновских идей. К чему же космологи могут обратиться в своих поисках? Да, снова к квантовой механике.

Возможно, решение проблемы заключается не в том, что квантовая механика допускает рождение Вселенной в виде квантовой флюктуации, а в объединении пока не согласующихся друг с другом гравитации и остальных сил природы? Эта проблема остаётся нерешённой, и «всеобщая теория всего» столь же далека от нас, сколь десятилетия назад. Однако физики – люди сообразительные: они всё-таки находят пути объединения квантовой механики и гравитации, пусть не идеального, но хотя бы приблизительного. Мы не знаем, верно ли это приближение, но такая возможность не исключена. И кто знает – возможно, наши попытки всё же выведут на дорогу к истинной «теории всего».

Вы, наверно, догадываетесь, что теоретическая физика допускает множество возможных подходов к «склейке» фундаментальных сил. На страницах физических журналов полно идей. Однако, пока мы не нашли математического аппарата, который обеспечил бы такое объединение, остаётся ещё несколько способов, которыми квантовая механика могла бы объяснить рождение Вселенной.

Возможно, на самых ранних стадиях истории космоса (во всяком случае, как мы сейчас эти стадии представляем), все фундаментальные силы действовали настолько слаженно, что гравитация не доминировала над ними. Это очень непохоже на сегодняшний космос, в котором сила притяжения безраздельно господствует в крупномасштабной Вселенной, а остальные преобладают только на малых масштабах. В «младенчестве» же космоса, возможно, основную роль играла именно квантовая механика: гравитация была подавлена, что предотвратило неограниченное сжатие Вселенной. В противном случае всё кончилось бы состоянием с бесконечной плотностью и температурой – начальной сингулярностью, неотъемлемой частью рождения Вселенной в стандартной картине Большого Взрыва.

В отсутствие бесконечного сжатия пространство-время нашей Вселенной, возможно, могло бы связаться с другими пространственно-временными структурами – может быть, принадлежавшими другим, предыдущим Вселенным. Мы, конечно, не знаем, каким именно образом предшествующие пространство и время соединяются с нашими: здесь открывается простор для разнообразных гипотез. Диапазон идей огромен – от рождения нашей Вселенной из принадлежавшей предшественнице чёрной дыры до давшего начало нашему миру столкновения давно умерших Вселенных в гигантском многомерном сверхпространстве – «мультивселенной».¹⁵ Есть ещё великое множество таких теорий. Некоторые из них выглядят совершенно сумасшедшими, и ещё больше их должно появиться в будущем – пока мы наконец не построим «теорию всего».

Пришло время расстаться с вопросом о рождении Вселенной: предстоит поговорить ещё об очень и очень многом. Мы охватили пока лишь первую мельчайшую долю секунды её существования, и перед нами – кажущийся бесконечным путь без малейших намёков на остановку. Мы должны двигаться вперёд, в будущее.

Может быть, наша Вселенная и правда появилась из ничего, из квантовой флюктуации такой степени малости, которую невозможно постичь. А может, квантовая механика предложит другое решение, даст способ обойти условия бесконечной плотности и температуры в начале Вселенной. Тогда позади этой точки сингулярности может лежать огромное прошлое, о котором мы можем только догадываться. Но теперь мы переходим к разговору о других стадиях развития Вселенной – от времени, когда Вселенная только начинала своё существование, к времени, когда она приобретала форму.

И мы увидим: за кулисами этой космической истории квантовая механика продолжала играть важнейшую роль.

Почему Вселенная так однородна?

Вселенная огромна. Так как скорость распространения света конечна, наши телескопы смотрят не только сквозь пространство, но и в прошлое, сквозь время. Они позволяют нам видеть большую часть истории космоса – вплоть до эпохи, отстоящей от Большого Взрыва всего на несколько сотен тысяч лет.

Почему же мы не можем увидеть сам Большой Взрыв? Через несколько первых минут существования Вселенной, в которые произошло образование первых атомных ядер, это был фантастически горячий, насыщенный электронами «суп» из вещества и излучения. Высокоэнергетические электроны двигались слишком быстро и не могли соединиться с ядрами, чтобы создать атомы, которые окружают нас сегодня.¹⁶ Вселенная была заполнена плазмой, в которой свободные электроны сталкивались со световыми лучами, делая её непрозрачной, но через примерно 380 000 лет космического времени остыла настолько, что электроны замедлились и стали соединяться с атомными ядрами. В этот момент Вселенная сделалась прозрачной.

Как только это произошло, свету уже ничего не мешало лететь и в конечном счёте добираться до наших телескопов. Но пытаться вглядеться во Вселенную глубже, заглянуть в эпоху, когда она была непрозрачной, – всё равно что пытаться увидеть что-то сквозь кирпичную стену.

Энергия стремительного движения электронов на ранних стадиях истории Вселенной порождалась их столкновениями с океаном мощных излучений: высокоэнергетическими рентгеновскими и гамма-лучами, ультрафиолетовым светом – в общем, излучением, рождённым в ходе самого Большого Взрыва. Если какой-то электрон и оказывался случайно захваченным атомным ядром, за этим неизбежно следовало столкновение с одним из гигантского количества сметающих всё на своём пути фотонов, частиц света, безжалостно отшвыривавших электроны от ядер и заставлявших их снова блуждать в толще плазмы.

Расширение Вселенной охлаждало фотоны, растрачивая их огромную энергию. По мере того как фотоны остывали, их столкновения с электронами становились мягче, а сами электроны делались более медлительными. Наконец начали формироваться первые настоящие атомы— но излучение осталось и продолжало охлаждаться, больше не взаимодействуя с атомами, но постоянно присутствуя в качестве скрытого фона. Это излучение мы видим до сих пор – теперь от невероятно высоких температур Большого Взрыва оно остыло до нескольких градусов выше абсолютного нуля. Это уже не фотоны высочайших энергий: в электромагнитном спектре они лежат в области радиоволн и называются космическим микроволновым фоновым излучением. Оно – самый старый свет, который мы способны видеть.

Громадные размеры наблюдаемой Вселенной объясняются тем, что она расширяется уже почти 14 миллиардов лет. Но, когда астрономы только начинали осознавать, что она расширяется, их сразу же начали тревожить некоторые странности. В какую бы сторону они ни смотрели, в какие бы мощные телескопы ни заглядывали, они видели, по сути, одно и то же: звёзды и галактики.

Возьмём какой-нибудь из телескопов Северного полушария и направим в случайную точку на небе. Что мы увидим? В сравнительно близких областях Вселенной – отдельные звёзды Млечного Пути, которые будут становиться слабее и слабее по мере того, как мы будем заглядывать всё дальше и дальше. Затем мы увидим другие галактики, сначала довольно большие – пока они будут не слишком далеко от нашей. Потом галактик будет становиться всё больше, а сами они – всё меньше и проще по форме. Ведь свет распространяется с конечной скоростью, и далёкие галактики видны нам в своём далёком прошлом. Наконец мы увидим совсем крохотные, едва сформировавшиеся галактики Ранней Вселенной, свет которых шёл до нас много миллиардов лет. А если наш телескоп способен принимать радиоволны, мы уловим и свечение космического микроволнового фона.

Повторим этот эксперимент с телескопом в Южном полушарии, направив его противоположно точке, которую мы выбрали в Северном. Что мы увидим здесь? Снова звёзды Млечного Пути, очень похожие на те, что мы уже видели на севере, но складывающиеся в другие фигуры – астеризмы¹⁷ и созвездия. В этом нет ничего неожиданного, ведь мы живём в глубине нашей Галактики. За областью звёзд Млечного Пути мы увидим множество других галактик, не тех, что на севере, но очень похожих по размерам и форме.

Глубже всматриваясь во Вселенную, мы увидим более молодые галактики, затем, ещё дальше – новорождённые, а потом – непроницаемую стену космического микроволнового фона. Понятно, что при всем различии подробностей общая картина, наблюдаемая в телескоп на юге, очень похожа на северную. То, что, куда ни посмотри, выглядит одинаково, должно само по себе быть очень однородным, «гладким».

Получается, что всё равно, куда мы направляем свой телескоп – повсюду видно одно и то же. И это странно! Почему? А потому, что участки Вселенной, которые мы разглядываем в наш телескоп, могут быть разделены многими миллиардами световых лет. Эти участки всегда были разделены, они никогда не оказывали друг на друга никакого влияния. Так почему же далёкие области Вселенной в одной стороне неба выглядят настолько похожими на те, что напротив? Разве не должны были они зарождаться чуть по-разному, потом чуть по-разному развиваться, а в результате – иначе выглядеть?

Может быть, в самом начале условия повсюду были почти одинаковыми, а потом эволюция всех отдельных участков шла очень похожим путём? Физикам эта идея совсем не нравится: она означает, что начальное состояние Вселенной было точно настроено на то, чтобы повсюду привести к одному и тому же результату. Предположение о такой тонкой настройке учёные встречают в штыки: они очень подозрительны, когда, чтобы объяснить эксперименты и наблюдения, требуется допущение об особых условиях. С другой стороны, конечно, такая особая ситуация, как рождение Вселенной, могла требовать этих условий; вызвать её к жизни мог неизвестный процесс, которого мы пока не понимаем, и в этом процессе могло содержаться требование, чтобы Вселенная была гладкой и повсюду одинаковой.

Существует ли какой-либо иной, физический путь «разглаживания» изначальной Вселенной? Что-то, что заставляет Вселенную выглядеть одинаково в любой точке?

Энергетические горки

Ответ на этот вопрос – «да». Но чтобы понять, каков этот путь, нам придётся немного отклониться в сторону. Давайте представим себе горную цепь с высокими пиками и глубокими долинами, тянущуюся по морскому берегу. Допустим, на вершину одного из пиков мы поместили мяч. Куда он покатится? Конечно, вниз, в долину. Катясь, он будет терять энергию на трение, чуть нагревая себя и поверхность горы, и наконец остановится в самой нижней точке, какую сумеет найти. Когда наш мяч высоко, на вершине пика, у него большая потенциальная энергия. Когда он катится вниз, энергия преобразуется в кинетическую, которая в конечном счёте тоже переходит в тепло. Это общий закон Вселенной: потенциальная энергия в конце концов минимизируется, а потерянная – переходит в тепло. Вы, возможно, слышали об этом законе – втором начале термодинамики.

Для наших целей в качестве точки с самой низкой потенциальной энергией вполне подойдёт уровень моря. Тогда почему мяч оказался в долине, а не в океане? В долине у него ещё осталась потенциальная энергия. Дело в том, что, хотя океан действительно обеспечивает минимум потенциальной энергии, в каждой долине есть её локальный минимум – по крайней мере, в окрестности некоторой точки. Такие точки называются точками устойчивого равновесия. Говоря о мяче и его положении в долине, мы называем его состояние устойчивым: он просто-напросто лежит, где остановился. Однако во всех других местах вне долины состояние мяча неустойчиво: он покатится куда-то ещё. Чтобы унести мяч из долины, потребуется столько энергии, чтобы можно было перекатить его через ближайший пик. Такой переход из одного устойчивого состояния в другое требует толчка, впрыскивания энергии, которая бы заставила мяч начать двигаться из устойчивого положения.

Этот рисунок прекрасно иллюстрирует ситуацию, которая возникает каждый раз, когда мы говорим об энергии и путях её перехода из одной формы в другую. Дело, конечно, не в мячиках, катающихся по горкам. Мяч представляет объект, энергетическое состояние которого нас интересует, гора – потенциальную энергию этого объекта, а положение мяча – собственно состояние объекта, сумму всей информации об объекте, которой мы располагаем. Весь рисунок в целом построен на нашей интуиции, и это подсказывает, что мы вернулись в рамки классической физики. Но при этом надо быть готовыми к квантовому повороту!

Математикам не потребовалось много времени для того, чтобы, воспользовавшись первыми успехами квантовой физики, залатать пробоины в здании физики классической. Их теоретические достижения выглядели как модификация классических теорий, позволявшая тем соответствовать новой парадигме. Этот процесс получил название квантования. Творцы квантовой физики квантовали ньютоновскую физику: законы движения и описание реакций тел на действующие на них силы. Но выведенных Максвеллом уравнений электродинамики этот процесс не коснулся – чтобы квантовать электродинамику, требовался новый мощный математический аппарат. Его изобретение выявило возможность существования новых физических сил – слабого и сильного ядерного взаимодействия.

Эти силы обобщены в рамках того, что мы называем «стандартной моделью»¹⁸. За довольно скучным названием скрывается комплекс тщательно разработанных мощных математических рецептов, позволяющих точно вычислять действие каждой из сил. Кроме того, стандартная модель описывает связанные с силами частицы – квантованные порции энергии, опосредующие каждую из сил. Увы, со множеством непривычных терминов в этой модели придётся смириться, но мы постараемся побыстрее с ними освоиться.

Подытожить стандартную модель можно так. Есть четыре силовых частицы, носящие общее название бозонов, в честь индийского физика Сатьяндраната Бозе: фотон, переносящий электромагнитные взаимодействия, глюон – частица сильного взаимодействия в атомных ядрах, и загадочно названные частицы W и Z, ответственные за слабое взаимодействие – что-то вроде радиоактивности. В эту компанию входит ещё бозон Хиггса – самый, может быть, знаменитый из всех бозонов – он связан с процессом, благодаря которому частицы приобретают массу.¹⁹ Кроме бозонов, есть 12 частиц, из которых состоит вещество. Они называются фермионами в честь итальянского физика Энрико Ферми. Шесть из них – кварки, единственные частицы, чувствительные к сильному взаимодействию: верхние, нижние, странные, очарованные, прелестные и истинные. Сочетаясь друг с другом разными способами, кварки образуют фундаментальные «строительные кирпичики» вещества, в том числе более привычные для нас протоны и нейтроны.

Остальные шесть фермионов— лептоны: в их число входит электрон и два его собрата мюон и таон, каждый из которых тяжелее предыдущего, а также три разновидности частицы, называемой нейтрино. С каждой из этих частиц мы ещё познакомимся поближе.

Однако в стандартной модели зияет пропущенное звено: гравитация. До сих пор она не поддаётся квантованию, и вовсе не потому, что научное сообщество недостаточно много работает над решением этой проблемы! Некоторые физики посвятили всю жизнь попыткам включить гравитацию в стандартную модель. Постоянно появляются и уходят новые варианты квантовых теорий тяготения, но большинство из них так и не получает никаких экспериментальных подтверждений.

Площадками, на которых происходит поиск новых квантовых теорий, стали великолепные исследовательские лаборатории современной теоретической физики – ускорители частиц, такие, например, как грандиозный Большой Адронный Коллайдер, построенный Европейским советом по ядерным исследованиям (CERN) на границе Швейцарии и Франции. В ускорителях сталкиваются друг с другом частицы, разогнанные почти до скорости света, и столкновения приводят к рождению новых. За последние 60 с лишним лет эксперименты на ускорителях выявили существование множества частиц, о которых мы не знали раньше. Пытаясь найти всё новые гипотетические – а возможно, и совершенно неожиданные – частицы, физики строят ускорители всё больших и больших масштабов. Некоторые из обнаруженных частиц – в том числе упомянутый бозон Хиггса – открывают для нас энергетические поля, на которых зиждется существование Вселенной.

Потенциальное решение вопроса о том, почему Вселенная выглядит такой однородной, – существование ещё одного энергетического поля, так называемого инфлатонного.²⁰ Ассоциированная с ним частица, которую называют инфлатоном, пока гипотетична и к тому же могла существовать только в ранней Вселенной.²¹ То, что в нашу эпоху мы её не наблюдаем, свидетельствует, что в прошлом должно было произойти некое драматическое событие – возможно, самое драматическое за всю историю космоса. Но не будем забегать вперёд: вернёмся к нашим горкам.

В классических энергетических горках долины – участки устойчивости. Состояние может быть устойчивым или неустойчивым – чёрным или белым. В случае горок квантовой энергии устойчивость предстаёт как спектр оттенков серого. Вспомним: на нашем рисунке с энергетической горкой уровень моря был самым низким уровнем потенциальной энергии. В квантовой физике он называется состоянием вакуума.

Кинетическая энергия мяча (когда он катится из долины) аналогична квантовым возбуждениям и проявляется в виде частиц. Таким образом, энергия, ассоциированная с силой определённого вида, соответствует долине в отсутствие частиц и движению по склону горки в их присутствии. Мяч может застрять в долине и остаться в ней навсегда, так и не докатившись до моря – своего вакуумного состояния. Но в квантовой физике, где движение и положение в пространстве – понятия неопределённые, дела обстоят интереснее. Спонтанные квантовые флюктуации могут быть просто толчком, необходимым для создания того, что называется фазовым переходом.