Текст книги "Книга Бытия. Общая история происхождения"

Вакуум и хаос

В определенном смысле наука ХХI века вернула актуальность повествованию Гесиода, в “Теогонии” которого замечается, в частности, что “прежде всего во вселенной Хаос зародился”[12]12
  “Теогония”, 116. Пер. В. В. Вересаева.


[Закрыть]. Утверждение прекрасно укладывается в научный дискурс, если только мы не будем отождествлять его, в соответствии с самой распространенной и обычной традицией, с беспорядком, никак не дифференцированным. Скорее в данном случае надо вернуться к исходному смыслу слова – оно созвучно с греческим χαίνω (хайно), “раскрываться”, χάσκει (хаске), “стоять с открытым ртом”, и χάσμα (хазма), “бездна”. Тогда получается что-то вроде “черной широко распахнутой глотки”, “мрачной бездны”, “темного водоворота”, “огромной пустоты, способной поглотить и скрыть в себе все что угодно”.

На протяжении долгого времени слово “хаос” использовалось в своем исходном значении. Ассоциация с беспорядком возникла значительно позднее, прежде всего у Анаксагора, а потом у Платона. У них хаос становится вместилищем бесформенной материи, которой предстоит стать упорядоченной каким-то высшим началом. Будь то Дух или Демиург – он придает исходному грубому и лишенному качеств материалу порядок, создавая космос, организованную и совершенную систему, все упорядочивающую и всем управляющую. С тех пор такое понимание слова сохранилось на тысячелетия.

Но начальный хаос, понимаемый как пустота, принципиально отличен от беспорядка. Нет системы более упорядоченной, регламентированной и симметричной, чем вакуум. Все в нем подчинено строгому закону, каждая материальная частица появляется рука об руку с соответствующей ей античастицей, каждая флуктуация покорно соблюдает условия принципа неопределенности, все движется в строго размеренном ритме, все движения складываются в безупречную хореографию, в которой нет места импровизациям виртуозов.

Каким-то образом этот идеальный механизм вдруг рушится, что-то странное внезапно вторгается в него и выскакивает на середину сцены, вдруг одним движением запускает процесс, в ходе которого вместе возникают пространство-время и материя, его искривляющая.

Высший порядок, царивший во всем, рушится в долю секунды, и крошечная квантовая флуктуация раздувается до колоссальных размеров, запуская процесс, который мы называем космической инфляцией. Многие детали этого явления от нас пока ускользают, в частности, идентичность материальной частицы, инфлатона, которая образуется из вакуума чисто случайно и дает начало волшебной сарабанде[13]13
  275 – оценка, полученная переводчиком и научным редактором. В оригинальном тексте оценка другая – 70.


[Закрыть] – о ней-то мы и поговорим в следующей главе.

День 1
Безудержным вздохом создано чудо

Все случилось в одно мгновение. И поначалу возникшая микроскопическая структура показалась бы ничем не примечательной, не отличающейся от окружающих. Присмотревшись, можно было бы заметить что-то вроде тончайшей пены. Мириады составляющих ее мельчайших флуктуаций могли бы вызвать в памяти предсуществующую жидкость мифологических историй афрос (αφρός), которая именно пену и означает, ту самую, что дала имя Афродите, родившейся из крови и спермы Урана. Хронос, его сын, отсек ему член косой, в отместку за мать Гею, и выбросил его в море, и чудом закипели спокойные воды вокруг Кипра.

Из квантовой пены предстояло родиться кое-чему еще более чудесному, чем богиня любви и красоты: целой Вселенной. Но тогда еще никто не смог бы предугадать, что случится. Прошло всего 10^–35 секунды от момента, когда она сформировалась, – интервал времени настолько незначительный, что нам бы и не удалось ни о чем подумать. Мы ожидали бы, что крошечный пузырек, на котором сосредоточено наше внимание, сейчас рассосется, как все остальные, дисциплинированно вернувшись в строй. Но нет: неудержимым вздохом он стал безмерно расти. Вдруг бесконечно малый объект, флуктуировавший упорядоченно и спокойно, согласно строгому ритуалу принципа неопределенности, был охвачен пароксизмом. Охватившее его безумие распространяется и на окружающий его вакуум, уничтожая его бесповоротно. Все происходит настолько быстро, что, если бы мы захотели рассмотреть, что именно произошло, нам потребовалась бы рапидная киносъемка. Только никакая камера не справилась бы с этой задачей, не успела бы запечатлеть детали метаморфоз, идущих с такой скоростью.

Потом внезапно все вдруг успокоилось, и странная вещь, обретшая, казалось, навсегда самостоятельное существование, продолжала расширяться, хотя и со скоростью значительно меньшей.

Мы присутствовали при рождении вселенной, нашей Вселенной. Заканчивается первый день, и уже рождена Вселенная, содержащая в себе все, что ей понадобится для эволюции на протяжении последующих 13,8 миллиарда лет, но пока прошло только 10^–32 секунды.

Это странное первичное поле

Итак, Вселенная началась с крошечной флуктуации вакуума, которая по мере расширения заполнялась странной субстанцией, заставлявшей ее раздуваться до бесконечности.

Первым предложил теорию, развившуюся потом в современную космологию, Алан Гут, молодой физик, получивший ученую степень в Массачусетском технологическом институте и приступивший в свои тридцать два года к поиску работы в каком-нибудь престижном американском университете. Его пригласили вести семинар в Корнеллском университете, одном из лучших, и именно там в 1979 году он представил свою революционную теорию.

Как мы уже видели, традиционная теория Большого взрыва, хотя и подтверждалась большей частью наблюдений, все-таки оставляла слишком много вопросов без ответа.

Первым скелетом в шкафу было происхождение сингулярности, из которой потом все и возникло. Было непонятно, какой механизм мог привести к ее формированию, если Большое сжатие оказывалось исключено. В 1980-е годы стало понятно, что во Вселенной недостаточно вещества для того, чтобы достичь критической плотности, и для того, чтобы можно было запустить великое сжатие. Поэтому считалось, что разлет галактик будет постепенно замедляться гравитацией, но не будет менять направления к катастрофическому гравитационному коллапсу. Словом, оставалось только понять, откуда взялся первый большой толчок.

В объекте незначительных размеров, возникшем в силу механизмов сугубо случайных, сила, задающая весь хоровод, – это гравитация, то есть притяжение. Но, чтобы начать расширяться, то есть чтобы случился Большой взрыв, потребуется сильнейшее отталкивание, или антигравитация: что-то вроде той космологической постоянной, которую Эйнштейн ввел в свое уравнение, добиваясь стационарности Вселенной, но только значительно более действенное.

Обычная материя, ее энергия и масса, создает в вакууме отрицательную энергию, из-за чего возникает положительное давление, все сжимающее и удерживающее. Если ввести в игру совершенно новую субстанцию, создающую положительную энергию, то возникающее давление окажется отрицательным, оно будет все выталкивать наружу, вызывая расширение.

Еще одна загадка связана с невероятной однородностью наблюдаемой Вселенной. Повсюду вокруг нас мы находим галактики всевозможных форм, некоторые из них тихие и спокойные, другие раздираемы пиротехническими чудачествами сверхновых, нейтронных звезд и черных дыр, но удивительным образом космический пейзаж повторяется. Одним словом, если наблюдать области Вселенной достаточно больших размеров, то объекты, населяющие даже самые укромные их уголки, окажутся очень похожи.

Представьте себе, что вы прилетаете куда-нибудь на другой континент, в Сидней или Куала-Лумпур, и, проходя через аэропорт, видите там те же самые магазины с той же самой одеждой в витринах, что несколько часов назад видели, вылетая из аэропорта Парижа или Рима. То же нагромождение чемоданов, телефонов и фотоаппаратов. Вы будете изрядно дезориентированы. Но для этого явления у нас есть вполне очевидное объяснение: это торговые сети глобализованного мира. А для невероятной однородности в астрономических наблюдениях, напротив, до 1990-х годов не было никакого намека на объяснение.

Тайна усугубилась с появлением новых, еще более мощных телескопов, с помощью которых стало возможно наблюдать части Вселенной, остававшиеся пока недоступными, но и там обнаруживалось все то же, что было уже хорошо известно: галактики, очень похожие на уже виденные, скопления галактик, казавшиеся близнецами тех, что были уже внесены в каталоги.

Еще больше поражала однородность космического микроволнового фонового излучения – куда бы ни наводились инструменты, результат получался всегда один и тот же: 2,72 кельвина, чуть выше абсолютного нуля.

Как могло так получиться, что самые удаленные части Вселенной, отстоящие одна от другой на миллиарды световых лет, проявили столь исключительное согласие, продемонстрировав одну и ту же температуру в тот момент, когда ученые крошечной планеты какой-то безымянной планетной системы ничем не примечательной галактики решили проявить интерес к тому, что происходит вокруг? Расстояния между наблюдавшимися областями Вселенной слишком велики, чтобы делать предположения, хоть как-то объясняющие этот феномен.

В поисках ответа на этот вопрос Гут попытался представить себе, что бы произошло, если бы во время расширения первичного пузырька его крошечный объем был заполнен положительной энергией вакуума, вроде той, которую предполагает гипотетическая космологическая константа. Наиболее перспективным кандидатом на эту роль ему представлялся бозон Хиггса – элементарная частица, о которой тогда много говорили в поисках ответа на вопрос о возникновении массы у элементарных частиц.

Бозон Хиггса электрически нейтрален, к тому же это скалярная частица, то есть ее спин равен нулю, она не вращается вокруг своей оси, как делают все остальные элементарные частицы. И в самом деле, поле Хиггса обеспечивает вакууму положительную энергию, но при быстром расширении пузырька плотность энергии так же быстро бы упала – и процесс бы остановился. Для поддержания постоянной плотности энергии в быстро увеличивающемся объеме нужно, чтобы полная энергия тоже увеличивалась, а это нарушило бы принцип сохранения энергии. Но что, если во время губительного падения возникнет какая-то заминка, если по какой-то причине движение к нулевому потенциалу, вакуумному состоянию, отчего-то на мгновение остановится? Что тогда произойдет?

Ответ, данный Гутом на этот вопрос, снова все изменил в том, как надо смотреть на происхождение Вселенной.

Неостановимое расширение

Механизм включает в себя скалярное поле, которое сообщает вакууму положительную потенциальную энергию и на долю секунды застывает в состоянии ложного вакуума, словно бы застревая во впадине потенциала при постоянной и отличной от нуля энергии.

Представим себе неопытного лыжника, который выбирает для спуска несложный склон и, едва начав движение, вынужден остановиться, выехав на горизонтальную поверхность или попав в слишком глубокую лыжню. Оказавшись в ловушке, он будет отталкиваться палками, возможно, даже упадет, прежде чем снова выберется на склон и начнет свое движение сначала. Но, пережив это неприятное приключение, он сможет разогнаться и быстро достигнет долины в конце склона.

Если скалярное поле попадает в положение такого лыжника, то есть застревает на мгновение в какой-то неглубокой канавке, то последствия для него оказываются совершенно несоразмерными. Из-за положительной энергии вакуума стенки пузырька расталкиваются – и его объем растет. И пока поле остается застрявшим в своей канавке, плотность энергии постоянна, а объем пузырька растет, увеличивая тем самым заключенную в нем положительную энергию; возрастает при этом и расширяющая пузырек сила.

Расширение, вместо того чтобы истощать энергию внутри пузырька, увеличивает ее. Чем он становится больше, тем больше и раздувающая его сила. Такая динамика типична для экспоненциального роста, и в данном случае все показания сходятся. Благодаря избытку энергии пузырек вытягивает из вакуума дополнительные скалярные частицы, которые заполняют его объем и увеличивают силу давления.

Застряв в своей канавке, поле заполняет все пространство субстанцией, оказывающей сильное давление, только не положительное, какое оказывала бы нормальная материя и ее энергия, а отрицательное, какое производила бы энергия вакуума, введенная Эйнштейном с помощью космологической постоянной.

Великому ученому достаточно было силы относительно небольшой, чтобы уравновесить притяжение тяготеющих масс, и тогда энергия вакуума оставалась бы постоянной: поле уснуло бы навеки, как Белоснежка в своем хрустальном гробу.

Первичное поле у Гута, напротив, оказалось очень динамично; как в сказке, поцелуй принца оборвал сон красавицы, но только на кратчайший миг, хотя и достаточный для немыслимого колдовства. Это мимолетное пробуждение, что на долю секунды заморозило поле в состоянии ложного вакуума, породило силу отталкивания, чрезвычайно быстро меняющуюся со временем. Она чудовищна, пока поле заморожено, но быстро спадает, как только поле выходит из состояния ложного вакуума. Антигравитация Алана Гута, запускающая расширение в момент рождения Вселенной, на сотню порядков превосходит космологическую постоянную. Именно это чрезвычайное отрицательное давление послужило причиной чудовищной скорости раздувания. Это и был взрыв.

В микроскопический интервал времени после него случилось невообразимое. Бесконечно малый объект, по размеру в миллиарды раз меньше протона, подвергся экспоненциальному росту, в диком ритме, с которым не сравнится самое безудержное россиниевское крещендо. Вмиг он стал уже макроскопическим. К концу приключившегося пароксизма объект достигает уже размеров футбольного мяча и содержит внутри всю материю и энергию, какие понадобятся ему на протяжении будущих миллиардов лет. За какое-то смехотворное время размеры этого ничтожного пузырька выросли на десятки порядков, а скорость его расширения значительно превзошла скорость света. Ограничения, диктуемые теорией относительности и запрещающие чему бы то ни было двигаться со скоростью, большей скорости света, относятся лишь к движению внутри пространства. Самому пространству, расширяющемуся внутри вакуума, или, выражаясь точнее, превращающему вакуум в пространство, эти путы не страшны. Нет пределов для скорости новорожденной Вселенной, которая несется навстречу своему будущему.

Очень скоро еще одна квантовая флуктуация, подобная той, что дала Вселенной жизнь, высвободила ее из той канавки, в которой она застряла, чтобы направить на верный путь, позволив устремиться к состоянию истинного вакуума, где она через мгновение и оказалась. От момента времени “ноль” прошло пока 10^–32 секунды. Но все уже изменилось.

Как только эта фаза закончилась и пока еще поле мирно колебалось во впадине минимума потенциальной энергии, энергия внутри пузырька, накопленная во время такой взрывной трансформации, превратилась в колоссальное количество материи/антиматерии; пары частиц и их партнеров, вырванных в изобилии из вакуума, взаимодействовали между собой и с остатками поля до тех пор, пока не установилось термодинамическое равновесие.

Едва родившись, Вселенная уже содержала внутри очень небольшого объема всю энергию и всю материю, какие у нее есть сейчас; плотность и температура были очень высокими, и тогда началась вторая фаза расширения, тоже довольно быстрого, но не в том безумном ритме, который царил во Вселенной в первое мгновение.

Алан Гут развязал бычий мех, подаренный Эолом Одиссею, с заключенными в нем “буреносными ветрами”[14]14
  Гомер, “Одиссея”, 10, 20. Пер. В. А. Жуковского.


[Закрыть], которые когда-то надолго задержали возвращение Одиссея на Итаку. Как спутники Одиссея, он распустил стягивающую горловину мешка серебряную нить и выпустил самый могучий из порывов, открыв дорогу в ад.

Для обозначения этого нового явления Гут использовал термин космическая инфляция, производный от латинского inflo, “раздувать”, который уже использовался в экономике для обозначения головокружительного роста цен.

Это более известное значение слова вызывает негативные коннотации, связанные с травматическим опытом галопирующей инфляции. Достаточно вспомнить о драматических событиях в Германии после окончания первого мирового конфликта. Цены росли скачками, которые следовали один за другим и которые никто не мог остановить. Едва получив зарплату, рабочие тут же мчались в магазин, потому что на следующий день смогли бы купить уже вдвое меньше, а через неделю их деньги вообще бы превратились в резаную бумагу. Продавцам, ставшим заложниками того же механизма, приходилось ежедневно пересматривать цены своих товаров. В январе 1923 года на покупку килограмма хлеба требовалось 250 марок, а к декабрю того же года его цена достигала астрономической суммы в 400 миллиардов марок. Таковы абсурдные последствия экспоненциального роста.

Успех инфляционной теории

Предположение, что Вселенная прошла фазу космической инфляции, до сих пор остается предметом жарких дискуссий между учеными, несмотря на безусловный численный перевес его сторонников.

Одна из наиболее сильных сторон теории заключается в том, что она естественным образом объясняет природу космологического принципа, а именно – исключительную крупномасштабную однородность Вселенной.

На первый взгляд, тут есть что-то противоречащее интуиции. Достаточно поднять глаза к небу и посмотреть на солнце, луну, планеты и звезды, чтобы возникло ощущение огромного разнообразия структур, населяющих небеса. В действительности же это одно из тех предубеждений, которые держат нас в заложниках по одной-единственной причине: ограниченности нашего зрения, его неспособности проникнуть в космос на достаточную глубину.

Но если мы используем самые современные инструменты и расширяем свой горизонт так, чтобы он охватывал космос целиком, эти частные различия становятся несущественными. В недавних экспериментах были каталогизированы двести тысяч галактик, и вот неизбежный вывод: в масштабах сотен миллионов световых лет встречающиеся структуры почти всегда очень сходны, практически идентичны. Одним словом, наша Вселенная, столь чудесная и разнообразная на местном уровне, становится исключительно монотонной, если не сказать скучной, стоит только перейти к более крупному масштабу.

Однородность становится еще более поразительной, если обратиться к распределению температуры. Начиная с 1970-х годов для изучения деталей космического микроволнового фонового излучения систематически используются инструменты, установленные на спутниках. Избавившись таким образом от помех, создаваемых возмущениями земной атмосферы, ученые смогли делать измерения значительно более точные, а главное – в любых диапазонах длин волн. И тем не менее потребовалось двадцать лет, чтобы получить первые результаты, которые начиная с девяностых годов стали предоставлять сенсационные подтверждения теории космической инфляции.

Они показывают впечатляющие однородность и изотропность Вселенной. Распределение температур оказалось в точности предсказано теорией: Вселенная ведет себя как гигантская микроволновка, которая перестала работать в далеком прошлом и с тех пор равномерно остывает, из-за того что расширяется. Области, разделенные миллиардами световых лет, показывают одну и ту же температуру, измеренную до какой-то идиотической точности: 2,72548 градуса выше абсолютного нуля. Космическое микроволновое фоновое излучение изотропно, то есть одно и то же во всех направлениях, с точностью не хуже одной стотысячной.

Какой механизм мог бы обеспечить передачу энергии на такие расстояния, с тем чтобы выравнять температуры до подобной однородности?

Свет не годится, так как к моменту его появления Вселенная уже была огромной: около сотни миллионов световых лет. И эти расстояния слишком большие, чтобы свет мог уровнять случайные колебания температуры. К тому времени различные части Вселенной были уже приведены в соответствие друг с другом, чтобы оказаться с одной и той же температурой на расстоянии в сотни миллионов световых лет.

Только космическая инфляция позволяет понять, как такое могло стать возможным. Все предложенные альтернативные механизмы привели к результатам значительно менее правдоподобным.

Перед началом инфляции все части крошечного пузырька, борющегося с путами квантовой механики, были в контакте друг с другом, словно точка “Космикомических историй” Кальвино. Будучи в состоянии обмениваться информацией, они все оказались с одинаковыми свойствами, в частности с одной и той же температурой. Инфляционное расширение распространило эту однородность на космические масштабы и сделало ее общим свойством Вселенной. При этом оно же безмерно укрупнило бесконечно малые квантовые флуктуации, имевшиеся внутри первичного пузырька. Мельчайшие флуктуации, раздуваясь в пространстве, достигли космических масштабов, превратившись в итоге в скопления галактик. Расширяясь до космических масштабов, эта мелкая рябь в плотности энергии превратилась в тончайшую сеть, широко раскинувшую свои узлы, становившиеся семенами новых агломератов материи. Эти вариации плотности уплотняли и нити темной материи, собирали вокруг себя пыль и газ, а вокруг них рождались первые звезды и формировались первые галактики.

Из этой горячей связки, жестко детерминированной и одновременно хаотической, между звездными расстояниями космоса и бесконечно малым миром квантовой механики, родились материальные структуры, давшие начало красоте и развитию. Мир без флуктуаций не смог бы породить звезды, галактики и планеты. В совершенной Вселенной не было бы ни весеннего ветерка, ни девичьей улыбки. Мы все произошли от аномалии, которую назвали инфляцией и которая довела квантовую пену до того, что она приобрела космические размеры.

Когда самые изощренные из инструментов, установленные на космических зондах, показали изотропность распределения в точности такой, как предсказывала теория для инфляционных моделей, даже самые упертые из ее противников были вынуждены признать ее предсказательную силу.

И все же оставалась одна колоссальная трудность, чреватая новым кризисом и грозившая развалить все, словно карточный домик. Инфляция и в самом деле с необходимостью приводит Вселенную к состоянию с нулевой локальной кривизной, то есть ее пространство оказывается плоским. Кривизна пространства-времени зависит от плотности содержащихся в нем материи и энергии. При плотности, в точности равной критической, Вселенная оказывается плоской, ее локальная кривизна равна нулю, словно у ровной поверхности, а это означает, что расширение продолжается бесконечно. При плотности больше критической Вселенная замкнута, а ее локальная кривизна положительна, как у поверхности шара, и расширение должно в этом случае замедлиться, сменившись в какой-то момент сжатием, а потом и Большим сжатием. При плотности меньше критической локальная кривизна отрицательна, как у конского седла, и в этом случае расширение тоже будет продолжаться до бесконечности.

Если все действительно начиналось с инфляции, то Вселенная обязательно должна быть плоской; первичный пузырек должен был исхитриться расширяться как-то так, чтобы все его изначальные размеры растянулись до плоского состояния уже в первые мгновения безудержного расширения, и только первичная Вселенная с локальной кривизной, равной нулю, могла бы остаться плоской и спустя миллиарды лет.

Любое начальное отклонение от этого условия было бы безмерно усилено последующим расширением.

Другими словами, один из важнейших способов проверить справедливость теории инфляции следует из измерений локальной кривизны Вселенной или распределения плотности энергии или массы в ней. И тут-то начинаются проблемы.

О локальной кривизне пространства-времени можно судить также по космическому микроволновому фоновому излучению. Достаточно измерить угловой диаметр крошечной неоднородности распределения температуры, разницу в стотысячную долю градуса между соседними областями, наследницами первичных статистических флуктуаций. Но здесь экспериментальные данные совершенно безупречно воспроизводят теоретические предсказания, указывая на то, что Вселенная у нас плоская. И вот этот результат напрочь отказывался согласовываться с измерениями плотности энергии во Вселенной, которые, как представлялось до начала 1990-х годов, должны были означать, что Вселенная открыта, то есть у нее геометрия седла.

Это расхождение оставалось болевой точкой теории инфляции, провоцируя новые возражения ее противников. От нее отказывались, так как она с необходимостью предполагала, что плотность Вселенной равна критической, а из эксперимента получалось, что она недотягивает и до трети.

Открытие темной энергии в 1998 году вынудило отбросить этот аргумент. Из наблюдений следовало, что скорость разбегания далеких галактик растет со временем, а значит, следовало признать существование новой формы энергии, пронизывающей все пространство и делающей вклад в общую массу Вселенной, который равняется двум ее третям. И тогда полная масса оказывалась равной критической, что объясняло, почему у Вселенной плоская геометрия, и окончательно подтверждало справедливость инфляционной теории.