Крис Ферри
Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе
Тяжёлая ситуация
Эйнштейн видел, что сила, доминирующая во Вселенной, – гравитация или тяготение – не вписывается в картину мира, соответствующую частной теории относительности. В XVII веке Исаак Ньютон дал математическое описание тяготения, которое до тех пор работало исключительно хорошо. Но в формулу Ньютона – в так называемый закон всемирного тяготения – входило расстояние между тяготеющими массами, а если никакие измерения расстояний больше не согласуются между собой – какое из них использовать? Эйнштейну потребовалось 10 лет упорной работы, чтобы прийти к решению этой проблемы – к общей теории относительности.
Учёный снова предложил мысленный эксперимент. Представим себе, что кто-то находится в состоянии падения под действием силы гравитации. Допустим, этот человек сидит в комнате, окружённый обычными предметами: стол, стулья, тарелки, чашки, блюдца… Если комната в целом падает под действием силы тяжести, то этот человек и все окружающие его объекты просто повиснут в воздухе, лишившись веса. С точки зрения падающего вместе с комнатой человека, утверждал Эйнштейн, тяжесть исчезнет!
Этот мысленный эксперимент подтолкнул физика к тому, чтобы включить тяготение в картину деформируемого пространства и времени. Решение задачи потребовало дьявольски сложных математических выкладок, но к 1915 году Эйнштейн наконец добился успеха. Чтобы ввести гравитацию в теорию относительности, он показал: пространство и время должны быть поистине гибкими. Ход часов и длина линейки зависят от того, где они расположены по отношению к массивным объектам, источнику тяготения.
Последствия установления связи между гравитацией и искривлением пространства и времени были революционными. Астрономы уже давно заметили, что орбита Меркурия, ближайшей к Солнцу планеты, отклоняется от предсказанной на основании ньютоновской теории тяготения. Новая математика Эйнштейна объяснила эти отклонения. Кроме того, согласно его теории, траектория луча света во Вселенной не была прямой линией – она изгибалась в присутствии массивного объекта. Именно регистрация такого гравитационного линзирования во время солнечного затмения 1919 года принесла теории Эйнштейна международное признание.
Сейчас мы каждый день пользуемся эйнштейновской теорией относительности, даже не задумываясь об этом. Например, без неё не могла бы работать Глобальная система позиционирования (GPS), основанная на синхронизированной сети точных часов. В системе GPS требуется передавать сообщения на большие расстояния, а для этого необходимо знать точные значения «когда» и «где». Без учёта относительного искривления пространства и времени между часами на спутниках и на Земле время, которое показывают эти часы, быстро потеряло бы точность, синхронизация бы нарушилась, и мы оказались бы совсем не в том месте, которое показывает GPS-навигатор!
Но к нашему рассказу относится другое: величайший успех теории относительности – описание истории Вселенной в целом. Эйнштейн одним из первых попытался создать математическое описание космоса – всего пространства и всего времени. В его представлении и в соответствии с уровнем знаний на рубеже XIX и XX столетий Вселенная была статичной и неизменной, и построенные математические модели отражали это предположение. Но малоизвестный русский математик Александр Фридман в 1922 году опубликовал работу, в которой Вселенная представала динамичной и развивающейся. С этого момента стала быстро развиваться современная космология – наука о происхождении и эволюции Вселенной. А Эдвин Хаббл обнаружил, что все другие галактики разлетаются прочь от нашей: Вселенная не только меняется, но и расширяется! В то же самое время Жорж Леметр показал: в какой-то момент в конечном прошлом – момент рождения Вселенной – это расширение должно было начаться. Леметр назвал «зародыш» Вселенной первичным атомом, но вскоре более распространённым стало выражение «Большой Взрыв».
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].
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].
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].
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?
Что такое Ничто
«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].
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] 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], 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]
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.