Текст книги "Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе"

Два столпа

К середине XX века понимание Вселенной углубилось, а здание современной физики приобрело отчётливые очертания. Беда была, однако, в том, что эти очертания выглядели заметно по-разному с двух разных сторон. На языке общей теории относительности гравитация объяснялась в терминах кривизны деформируемого пространства, в то время как действие других сил природы – электромагнетизма и субатомных сил – сводилось к дискретной квантовой механике[6]6
  Наш взгляд на современную космологию: Развитие наших представлений о строении Вселенной активно обсуждается. Прекрасным введением в это обсуждение может быть “Cosmology and the Origin of the Universe: Historical and Conceptual Perspectives”, by Helge Kragh (arXiv preprint, 2017, https://arxiv.org/abs/1706.00726); книга Teh Cosmic Revolutionary’s Handbook: (Or: How to Beat the Big Bang) by Luke A. Barnes and Geraint F. Lewis (Cambridge: Cambridge University Press, 2020) иллюстрирует использование учёными наблюдений Вселенной для раскрытия её внутренних механизмов.


[Закрыть].

Вы можете легко убедиться в этой двойственности сами, взяв в руки любой университетский учебник физики. Главы, посвящённые квантовой механике, обычно очень отличаются от тех, в которых рассказывается о теории относительности и тяготении. Имена упоминаются тоже разные: Бор, Паули и Шрёдингер выглядят центральными фигурами квантовой механики, а Ньютон, Эйнштейн и Шварцшильд доминируют на страницах о гравитации.

Те же различия бросаются в глаза, если побродить по физическому факультету любого университета. Если в коридоре висят постеры конференций по квантовым компьютерам, новым материалам или сверхпроводникам – все эти области науки относятся к квантовой физике. А в других коридорах вы увидите постеры, сообщающие о новостях космологии, тёмной материи и тёмной энергии, или даже о ранней Вселенной. Здесь – царство гравитации, здесь говорят на языке теории относительности. Языки этих двух научных территорий совершенно разные, что не мешает физикам разных отделений оживлённо болтать в факультетской столовой о футболе или ипотечных кредитах.

Да, современная физика расколота на две части, построенные на двух различных фундаментах – теории относительности и квантовой механике. Математический аппарат теории относительности используется для описания физики больших пространств, размеров и масс – планет, звёзд, галактик. Квантовая механика царит в мире очень малых масштабов – электронов и частиц. Эти области настолько разные, что, если сосредоточиться на одной из них, другую часто можно вообще не принимать во внимание. Астроном, изучающий движения планет и комет, может обходиться только уравнениями теории тяготения и игнорировать всё остальное. А физик, пытающийся построить квантовый компьютер из отдельных атомов, может позволить себе забыть о тончайших гравитационных взаимодействиях между ними.

Существование двух изолированных оснований современной физики – её главная проблема. Это движущая сила поисков единой «теории всего», которая смогла бы описать Вселенную в целом. Мы ещё вернёмся к этой теме в последней главе и рассмотрим основные нерешённые вопросы фундаментальной физики и попытки ответить на них.

Разделение новой физики на независимые области квантов и гравитации ставит под вопрос правильность нашего понимания Вселенной. Но это вовсе не значит, что современная физика потерпела крах. Там, где нам всё-таки удаётся заставить эти две основные идеи работать совместно, космос выдаёт нам самые сокровенные тайны – от своего огненного рождения до холодного бесконечного будущего. Об этом мы и расскажем в этой книге.

Мы совершим путешествие по всей истории космоса, поговорим о его рождении, о силах, которые определили все его существование. Раскроем механизмы жизни звёзд и образования химических элементов. Поразмышляем, что ждёт Вселенную в её долгом тёмном будущем. Увидим, что во всех этих процессах главную роль играет тяготение – именно оно определяет и расширение Вселенной, и сжатие вещества, приводящее к рождению звёзд. Но для понимания Вселенной одной гравитации недостаточно: нельзя забывать о роли других сил. Например, о квантовой механике, значение которой ничуть не меньше – и о которой придётся вспоминать на каждом шагу.

Мы увидим: если хочется узнать своё место во Вселенной, разделять кванты и космос нельзя.

Часть 1
Квант космоса: прошлое

Как появилась Вселенная?

Тёмной ночью небо сияет тысячами звёзд. Глядя на это великолепие, легко представить, что Вселенная всегда была такой. Но мы знаем: это лишь иллюзия. В масштабах истории Вселенной жизнь человека, да и всего человечества, – краткое мгновение. Если бы наше существование продолжалось миллионы и миллиарды лет, а не какие-то несколько тысяч с тех пор, как люди посеяли первые зёрна и построили первые города, мы бы убедились, что живём в развивающейся и меняющейся Вселенной.

Космология изучает её развитие. Пытаясь понять смысл звёздных россыпей, люди с незапамятных времён обращают взгляд в небо. Но настоящей наукой космология стала только в прошлом столетии. Новые сверхмощные телескопы открыли нам космические глубины – оказалось, что Вселенная немного больше и богаче, чем мы могли когда-либо представить. Солнце – одна из сотен миллиардов звёзд в нашей Галактике, Млечном Пути, раскинувшемся на небе светлой аркой от горизонта до горизонта. И сам Млечный Путь – лишь одна из триллионов галактик, доступных обзору в наши самые сильные телескопы[7]7
  Откуда мы знаем, что во Вселенной два триллиона галактик: Научно-популярное освещение этого вопроса см. Ethan Siegel, “Tih s Is How We Know Teh re Are Two Trillion Galaxies in the Universe”, Forbes, October 18, 2018, https://www.forbes.com/ sites/ startswithabang/2018/10/18/this-is-how-we-know-there-are-two-trillion-galaxies-in-the-Universe.


[Закрыть].

Когда новые телескопы позволили нам увидеть Вселенную более чётко, подоспела ещё одна революция. В начале XX века Эйнштейн внёс последние штрихи в общую теорию относительности, отбросив математический аппарат ньютоновской гравитации, который безраздельно царил в физике на протяжении 300 лет. Его новый взгляд на Вселенную, в соответствии с которым тяготение представляет собой искривление и изгиб пространства и времени, разительно отличается от жёсткого и неизменного пространства и времени Ньютона, полностью сохраняя при этом предсказательную силу ньютоновской картины тяготения и невероятно обогащая её. Математический аппарат теории относительности помогает объяснить сверхплотные звёзды, чёрные дыры, кротовые норы – и даже рябь и волны самих пространства и времени.

В этих формулах скрыто математическое описание всей Вселенной – и как же она удивительна! Это не статичный и неизменный космос, каким он поначалу казался Эйнштейну, а динамичный и постоянно развивающийся. К этому новому пониманию пришёл в 1920-х годах знаменитый астроном Эдвин Хаббл, когда увидел в свой телескоп, как галактики разбегаются друг от друга в процессе расширения Вселенной[8]8
  Кто открыл расширение Вселенной: как мы уже сказали, история науки – вещь запутанная, и вопрос, кому принадлежит пальма первенства в открытии расширения Вселенной, далеко не простой. Он прояснён в работе Harry Nussbaumer and Lydia Bieri, “Who Discovered the Expanding Universe?” (arXiv preprint, January 16, 2012, https://arxiv.org/abs/1107.2281v3).


[Закрыть].

Чтобы осознать потрясающее значение этого открытия, потребовалось очень мало времени. Если завтра галактики будут дальше друг от друга, чем сегодня, значит, вчера они были ближе. А если заглядывать в прошлое всё дальше и дальше, получится, что галактики располагались в пространстве всё теснее и теснее. В точке прошлого, отстоящей от сегодняшнего дня на 14 миллиардов лет, расстояния между всеми галактиками обратятся в нуль.

Это стартовая точка расширения, которое мы наблюдаем сегодня. Это значит, что в прошлом был момент рождения Вселенной, день, у которого не было «вчера».

Так как вся материя Вселенной была тогда сжата воедино, в далёком прошлом она, конечно, была горячее и плотнее, чем сегодня, а в первые моменты своего существования была ОЧЕНЬ плотной и горячей. Знаменитый астроном Фред Хойл назвал это огненное рождение «Большим Взрывом». Но в устах Хойла этот термин звучал скорее насмешливо: учёный не мог смириться с мыслью, что у Вселенной есть начало. У него была своя концепция Вселенной, которая расширяется, но существовала вечно, – так называемая теория устойчивого состояния. Но об этом – в другое время и в другой книге.

Несмотря на зловещее название, идея Большого Взрыва прижилась и представление о расширяющейся Вселенной, рождённой в конкретный момент прошлого, стала лучшим объяснением того, что мы наблюдаем в космосе.

К идее Большого Взрыва нас привела общая теория относительности Эйнштейна. Но, чтобы описать сложные взаимодействия, которые происходили, когда Вселенная была невообразимо горячей и плотной, нужны и другие физические представления. Помимо мощного притягивающего действия гравитации, между основными «строительными кирпичиками» вещества – элементарными частицами, такими, как электроны и кварки – происходили интенсивные столкновения. Значит, мы не можем не принимать во внимание и другие фундаментальные силы взаимодействия: электромагнетизм, сильное взаимодействие и слабое взаимодействие. В этой книге нам не раз предстоит вернуться к фундаментальным силам, но пока запомним одно: каждое из этих трёх физических взаимодействий описывается законами и математическим языком квантовой механики.

На самых ранних стадиях жизни Вселенной гравитация и все остальные силы боролись друг с другом за власть. Поэтому при описании Вселенной в равной мере нельзя пренебрегать ни квантовой механикой, ни общей теорией относительности. Но мы до сих пор не знаем, как согласовать эти две совершенно разных парадигмы, чтобы они объединились естественно и непринуждённо.

Если мы захотим описать самые ранние стадии жизни Вселенной, придётся вразнобой применять одновременно разные виды математического аппарата в попытках объединить все четыре фундаментальные силы (гравитацию, электромагнетизм, сильное и слабое взаимодействия) во что-то, что (как мы надеемся) будет работать.

Способов одновременно применять разные математические методы много, и мы не знаем, насколько хорошо тот или иной подход ближе к суровой реальности самых ранних дней нашей Вселенной. На этом пути мы рано или поздно достигаем некоторой точки, в которой, сколько бы мы ни вглядывались в более ранние моменты истории Вселенной, наша «математика Франкенштейна» просто перестаёт работать. Мы упираемся в стену, преграждающую движение наших физических теорий, и видим, что не можем продвинуться вперёд ни на шаг. Эта стена не позволяет нам разобрать механизм рождения Вселенной и ответить на важнейший вопрос: откуда же она взялась?

И всё же у нас ещё есть возможность поразмышлять над этим вопросом и попытаться представить, как мог бы выглядеть ответ на него.

Для этого нам придётся немного подумать о том, что такое ничто. Ничто, полное и абсолютное ничто! Проще некуда?

«Ничто» – понятие, вокруг которого ломают копья и физики, и философы. Возьмём участок пространства, освобождённый от любых видов вещества и излучения. Это «ничто» в его простой разновидности. Но «ничто» может быть и другого вида – когда отброшены и сами пространство и время. Представить это гораздо труднее.

Поэтому для начала подумаем просто о пустом участке пространства и времени вокруг нас.

Представьте, что вы вышли в открытый космос в скафандре и смотрите на окружающую вас Вселенную. В какой-то момент вам может показаться, что пустота пространства тоже вглядывается в вас. Всматриваясь в ничто, мы рискуем ощутить ни с чем не сравнимое чувство экзистенциального ужаса, избавление от которого приходит из самого неожиданного источника: из квантовой физики. Ведь даже само пустое пространство бурлит непрестанно возникающими и вновь уходящими в небытие частицами, которые называются квантовыми флюктуациями[9]9
  Квантовые флюктуации: идея «флюктуаций вакуума» восходит к английскому физику Полю Дираку, хотя популяризировать её начали гораздо позже. См. письмо П.А.М. Дирака Нильсу Бору от 10 августа 1933 г., Библиотека Нильса Бора, Американский институт физики, Колледж Парк, Мэриленд.


[Закрыть].

Казалось бы, «непрестанно возникающие и вновь уходящие в небытие частицы» – просто очередная причудливая идея, выдуманная учёными, чтобы сбить всех с толку. Но на деле присутствия таких частиц требует глубинная структура квантовой механики. А мы, хотя и не способны наблюдать их непосредственно, можем измерять их влияние на мир вокруг нас.

Как видно из самого их названия, квантовые флюктуации – нечто мимолётное и переменчивое. Но они всегда были и всегда будут. Единственное, что остаётся постоянным в вечной Вселенной, – никогда не прекращающееся движение квантовой энергии.[10]10
  Никогда не прекращающееся движение квантовой энергии: Существование квантовых флюктуаций популяризировал Стивен Хокинг в статье “Breakdown of Predictability in Gravitational Collapse,”Phys. Review D 14, no. 10 (November 1976): 2460–73, https://doi.org/10.1103/PhysRevD.14.2460.


[Закрыть] Но семена нашего понимания квантовых флюктуаций были посеяны лишь около ста лет назад.

Первые мысли о квантовой механике – и квантовых флюктуациях – появились на скалистом, безлиственном острове Гельголанд в Северном море. В 1925 году там, спасаясь от сенной лихорадки, донимавшей его в его родной Германии, физик-теоретик Вернер Гейзенберг заложил математические основы квантовой теории. До тех пор физики прилагали огромные усилия, чтобы объяснить последние результаты своих экспериментов над микроскопическими частицами: сталкивали друг с другом атомы и посылали пучки субатомных частиц через электрические и магнитные поля с помощью математики Ньютона и Максвелла, но никак не могли поставить прочно установившийся свод теорий и научных законов – то, что мы теперь называем классической физикой – на службу описанию проводимых наблюдений и экспериментов.

Все прекрасно знали – как мы знаем это и сегодня – что при умножении чисел не имеет значения, в каком порядке мы их умножаем. Единожды два умножить на три даст то же, что трижды два умножить на единицу. Но это простое и, казалось бы, очевидное математическое правило не действовало в новых экспериментах, проводимых в рамках квантовой механики.

Дерзкая мысль Гейзенберга состояла в том, чтобы использовать новые абстрактные математические объекты, которые можно было бы умножать, но так, чтобы ответ зависел от мест множителей: A, умноженное на B, могло не быть равным B, умноженному на A. Конечно, на первый взгляд это выглядит странно, но затем оказывается, что это правило отлично подтверждается при действиях с числовыми таблицами. Такие таблицы называются матрицами. Математический аппарат Гейзенберга стали называть матричной механикой[11]11
  О рождении матричной механики: Гейзенберг впоследствии вспоминал о ставшем теперь легендой озарении, которое снизошло на него во время ночных вычислений на острове Гельголанд. См. Werner Heisenberg, Der Teil und das Ganze, Munich: Piper, 1969. [Русский перевод: Вернер Гейзенберг, Физика и философия. Часть и целое. Пер. И. Акчурина. М., 1990. – Прим. пер.].


[Закрыть], а теперь он известен как квантовая механика.

Но Гейзенбергу – как и любому другому физику того времени – было, конечно, невдомёк, какие необыкновенные последствия будет иметь это математическое новшество. В результате его введения у квантовой механики обнаружилось совершенно неожиданное свойство: принципиальная невозможность точно знать все параметры объекта. Сейчас мы называем это свойство принципом неопределённости. Оно оказалось великолепной иллюстрацией положения, снова и снова возникающего в квантовой физике: её математический аппарат приводит к выводам, которые мы в силу наших предвзятых представлений о Вселенной не готовы принять – настолько невероятными они кажутся. Например в данном случае Нильс Бор, один из отцов-основателей квантовой физики, заявил, что принцип неопределённости вынуждает нас отбросить саму идею объективного существования предметов.[12]12
  История квантовой физики: подробное обсуждение истории развития квантовой механики, в том числе откровений Гейзенберга, можно найти в книге Manjit Kumar. Quantum: Einstein, Bohr, and the Great Debate about the Nature of Reality (London: Icon Books, 2008). [Русский перевод: Манжит Кумар. Квант. Эйнштейн, Бор и великий спор о природе реальности. Пер. И. Кагановой, Corpus, 2015.– Прим. пер.].


[Закрыть]

Когда физики говорят о «предметах» или «вещах», они обычно понимают под этим словом некоторый набор свойств. Мяч, например, обладает формой, цветом, положением в пространстве и времени. Но именно эти свойства квантовая физика в силу принципа неопределённости полагает неопределимыми в мире квантов. Мы попросту не можем утверждать, что мячу всё это присуще. Другими словами, невозможно провести эксперимент, который позволил бы с определённостью измерить свойства объекта при любом уровне точности измерения.

Пока речь идёт об абстрактном и неосязаемом мире квантовых частиц, это нас не особенно беспокоит. Однако, как только мы экстраполируем эти выводы на человеческие масштабы, ум тут же заходит за разум. Как выразился в сердцах Эйнштейн, «мне нравится думать, что Луна на своём месте, даже когда я на неё не смотрю». Но дело даже не в том, на месте Луна или нет, а в том, что само понятие места как единственного и точно определённого положения квантовой физикой отрицается.

В нашей повседневной жизни и в масштабах движений небесных тел неопределённость, вносимая соотношениями Гейзенберга, слишком мала, чтобы её можно было заметить. На измерение массы человека весом в 150 фунтов не влияют неопределённости порядка массы электрона. Но в микроскопическом мире частиц принцип неопределённости и его следствия доминируют, и если вследствие этого принципа энергию в пустом пространстве, в вакууме, невозможно ни определить, ни ограничить, она может принять любое значение. Невозможно определить – значит, нельзя и предсказать, и, следовательно, возможны её случайные флюктуации.

Согласно самому знаменитому уравнению в мире – эйнштейновскому E=mc² – энергия и масса непосредственно связаны друг с другом. Флюктуации энергии проявляются как нескончаемые чередования создания и уничтожения частиц (то есть массы). Мы представляем это как спонтанное, самопроизвольное возникновение пар «частица-античастица». О последних мы подробнее поговорим немного позже, а пока запомним: они могут быстро сливаться и уничтожать друг друга, но то и дело взаимодействуют и с другими частицами. Именно тогда-то и возникает ситуация, когда даже обыватель сказал бы: «и вот откуда ни возьмись появляется новая частица…”

Физики часто называют квантовые флюктуации виртуальными частицами: их жизнь почти нереальна, они появляются на невообразимо краткое мгновение, прежде чем снова исчезнуть в вакууме. Но если за это время они всё же успевают взаимодействовать, цикл прерывается, и виртуальная частица может стать реальной. Здесь открываются интереснейшие возможности, из которых, возможно, самая интересная (особенно в свете вопроса, который мы сейчас рассматриваем) – это возможность спонтанного рождения из вакуума целой Вселенной частиц. А это для квантовой физики уже совсем рядом с рождением мира из ничего.

За время, которое требуется, чтобы произнести слово «ничто», в ранней Вселенной могло произойти очень многое. Начальная её эпоха, насколько мы это сейчас себе представляем, продолжалась всего около 10^–43секунды. Чтобы представить себе это число, напишем сначала 0.00, потом ещё 40 нулей, потом 1. Вот так:

0.0000000000000000000000000000000000000000001 с.

Это непредставимо малый отрезок времени. С чем его сравнить? Как может человек вообразить такой временной масштаб? Досадно, но придётся признать: никак. Этот промежуток во много, очень много раз меньше, чем те, описать которые позволяют современные физические теории.

Но даже если мы и не можем описать во всех подробностях физические процессы, происходившие в тот первоначальный момент, наука всё же может кое-что подсказать. В конце концов, как бы ни выглядела «правильная» теория возникновения Вселенной, она так или иначе должна согласовываться с другими нынешними теориями – по крайней мере там, где они работают. Возьмём, например, карты плоской Земли. Когда люди убедились, что наша планета – шар, карты не потеряли ценности. Ведь чем меньше площадь рассматриваемого участка на земном шаре, тем ближе плоская карта к реальности – в каких-то пределах эти две идеи вполне совместимы. Так и эйнштейновская общая теория относительности в слабом поле тяготения переходит в ньютонову теорию гравитации, а квантовая механика превращается в ньютоновские законы движения, когда мы говорим о больших объектах.

Поэтому, чтобы не сбиться с пути, всегда можно сверяться с современными теориями. Проще говоря, когда из всех инструментов есть только молоток, всё вокруг становится похожим на гвозди. В нашем случае молоток – принцип неопределённости, а гвоздь – проблема творения.

В 1973 году физик Эдвард Трайон опубликовал в журнале Nature статью под названием «Является ли Вселенная флюктуацией вакуума?»[13]13
  Вселенная из ничего: см. Edward P. Tryon, “Is the Universe a Vacuum Fluctuation?”, Nature 246 (1973), 396–97, https://doi. org/10.1038/246396a0.


[Закрыть] 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?