Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Или, может быть, наша Вселенная родилась в результате процесса, который для нас сейчас почти непредставим? Без математического языка, описывающего совместное действие гравитации и остальных сил, мы о нём можем только догадываться.

Чего ещё мы можем ждать от «теории всего»? Вспомним, что в нашем понимании Вселенной ещё зияет несколько лакун – и вот их-то новая теория может заполнить. В частности, в рамках стандартной модели физики частиц, которая очень хорошо объясняет все результаты экспериментов на Большом Адронном Коллайдере, мы сейчас не можем ничего сказать о «тёмной стороне» Вселенной – тёмной энергии и тёмной материи, которые в целом доминируют в космосе.

Как мы уже видели, многие физики предложили свои расширения стандартной модели, но сегодня ни одно из них не предсказывает, какими могут быть частицы тёмной материи. Они не наблюдаются ни в одном эксперименте на ускорителях и никак не проявляются в астрономических наблюдениях.

Ещё большую загадку представляет собой тёмная энергия: казалось бы, Вселенная прекрасно могла бы обойтись без неё. Почему она вообще существует? Сейчас многие полагают, что она имеет какое-то отношение к квантовой природе вакуума, но все теоретические вычисления демонстрируют прискорбную беспомощность попыток как-либо объяснить её природу.

Что ещё мешает нам двигаться вперёд?

Вас, возможно, удивляет, что создать «теорию всего», оказывается, так трудно. Казалось бы, почему нескольким умным физикам не подумать хорошенько и не предложить, наконец, долгожданную теорию, которая охватывала бы действия всех сил, тёмную сторону Вселенной и ещё многое, многое другое?

Дело в том, что наука сейчас стоит перед довольно сложной проблемой. Мы уже отмечали, что современная физика построена на фундаменте общей теории относительности и квантовой механики, и что в своей области каждая из этих дисциплин исключительно успешна. Это значит, что какую бы экспериментальную проверку для них ни придумывали, они проходят её идеально.

В последнее десятилетие «вишенкой на торте» для стандартной модели физики частиц стало открытие на Большом Адронном Коллайдере бозона Хиггса. И каждый раз, когда физики запускают свой ускоритель частиц, результат эксперимента соответствует математическим предсказаниям стандартной модели.

Та же картина вырисовывается для общей теории относительности. Её звёздным часом стало открытие в 2016 году гравитационных волн. Эта еле заметная рябь пространственно-временной ткани Вселенной порождается в ходе некоторых наиболее мощных и высокоэнергетических событий во Вселенной. Но из-за слабости гравитационного взаимодействия эти волны переносят по Вселенной лишь очень малые количества энергии. После занявшей более полувека напряжённой работы – со срывами, случаями ложной регистрации, – лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория LIGO наконец зарегистрировала сигнал от слияния двух чёрных дыр в удалённой части Вселенной. За это открытие некоторые из основателей и руководителей LIGO – Райнер Вайсс, Кип Торн и Барри К. Бэриш – были удостоены Нобелевской премии 2017 года по физике.

За последние несколько лет LIGO стала полноценной астрономической обсерваторией, прочёсывающей небо и улавливающей сигналы высокоэнергетических событий во Вселенной. Регистрация таких сигналов сделалась рутинным занятием: люди и ухом не ведут, услышав о новых открытиях в этой области. Когда поступают новые данные, точные характеристики сигнала тщательно анализируют, чтобы проверить, нет ли в них каких-либо отклонений от предсказаний теории Эйнштейна. И каждый раз, несмотря на наличие различных альтернативных возможностей, в пределах инструментальной точности регистрации общая теория относительности неизменно подтверждается.

Эти строки пишутся в 2020 году, который, вероятно, запомнится надолго, и не из-за исследований по квантовой механике. За несколько месяцев до начала пандемии астрономы сообщили о новых наблюдениях двойной системы пульсаров. Система состоит из двух сверхплотных звёзд, оставшихся после гибели массивных звёзд-предшественниц. Каждая из них очень быстро вращается, и обе с огромной скоростью обращаются вокруг общего центра тяжести. Мы видим здесь все условия для применения теории относительности: огромные орбитальные скорости и скорости вращения, мощные гравитационные поля сверхплотных тел. Чтобы проанализировать и предсказать движения звёзд, физикам понадобилось рассчитать значительное искривление пространства и времени в их окрестностях. Им даже пришлось учесть сложное явление увлечения системы отсчёта, которое выражается в том, что пространство и время увлекаются за собой обращающимися по орбитам звёздами. Этот эффект приводит к тому, что ориентация оси вращения каждой из звёзд постоянно меняется во времени, причём не так, как это предсказывает небесная механика Ньютона. И что, по-вашему, показали измерения астрономов? Вы угадали – предсказания Эйнштейна опять оправдались! Но не стоит думать, что физики были в восторге от этого. Как мы уже говорили, такая ситуация для них, наоборот, в высшей степени неудовлетворительна. Ведь, как нам известно, ни квантовая механика, ни общая теория относительности сами по себе не могут дать исчерпывающего описания Вселенной. Для этого должно найтись что-то другое. Но природа упорно не даёт нам ключей для того, чтобы мы могли сделать следующий шаг. Ведь самые успешные физические теории родились из необходимости объяснить необъяснимые наблюдения. Поэтому физики и ждут, что природа даст им знак: что делать дальше? Ключик должен найтись там, где теории не могут объяснить наблюдаемые факты. В нашей книге мы рассказали о местах, где такой ключик может лежать – о центральных областях чёрных дыр и о рождении Вселенной. Но бесконечности, которые мы там до сих пор находили, помочь не могут. Физикам нужно что-то, с чем можно работать.

Что же именно, спросите вы? Что-то вроде новой необъяснимой частицы, образовавшейся при столкновении в Большом Адронном Коллайдере. Или свойство гравитационной волны, которое нельзя объяснить, прибегая к эйнштейновскому описанию слияния двух массивных объектов. Физики отчаянно нуждаются в аномалиях, в неожиданном, в необъяснимом.

Странности в наблюдениях и измерениях встречаются постоянно, но обычно они никуда не ведут. Часто какие-то странности проявляются в данных на уровне шума – какой-нибудь необычный изгиб гравитационной волны при слиянии пары чёрных дыр, или неожиданный «горб» в распределении энергии фотонов, зарегистрированных при взаимодействии частиц на Большом Адронном Коллайдере. Обнаруживая такие аномалии, физики-теоретики бросаются к столу, пытаясь применить свои заветные идеи, лежащие за пределами стандартной модели, для объяснения замеченных отклонений. Эта деятельность бывает иногда бурной и шумной – для примера, попробуйте погуглить выражение «двухфотонный избыток». Но по мере накопления данных и неизбежного понижения уровня экспериментального шума, странные аномалии сигналов обычно исчезают, превращаясь в обычные статистические отклонения. А вместе с ними затихают и восторженные восклицания о «новой физике».

Что делать дальше? Честно говоря, физики не могут уверенно ответить на этот вопрос. Некоторые надеются на новые гигантские телескопы или более мощные ускорители частиц. Но что-то подсказывает, что и эти новые инструменты исследования Вселенной дадут результаты, по-прежнему соответствующие теории относительности. А теория квантов объяснит все новые явления в мире кварков. И снова не будет никакой объединяющей теории, которая позволит слить их воедино. Что, если наши телескопы и ускорители так никогда и не станут достаточно мощными для рождения «теории всего»? Некоторые считают, что, когда речь идёт о научных инструментах, «больше» не обязательно значит «лучше», что мы должны просто больше думать – тогда прорывы в математике и логике приведут к новым идеям, которые можно будет проверить и на настольном компьютере. Но и это – скорее мечта, чем реальный план.

Итак, вот где мы сейчас. Наши физические законы определяются двумя несовместимыми теориями, одна из которых описывает мир в большом масштабе, а другая в малом. В своей области применения каждая из этих теорий работает удивительно хорошо; в случае необходимости, как мы показали в этой книге, их можно кое-как совместить. Но в конечном счёте каждая из этих теорий неполна.

Физики – люди мужественные, и для нас важно закончить эту книгу на мажорной ноте. В течение последних нескольких столетий в нашем понимании Вселенной – от очень малых масштабов до очень больших – произошла настоящая революция. Это невероятное достижение, которым мы все должны гордиться. Но путешествие не окончено. На многие вопросы ещё надо ответить, и в том числе на вопрос об истинных взаимоотношениях между кварком и космосом.

Каждый день по всему миру любознательные молодые люди начинают заниматься физикой; некоторые из них делают это именно потому, что узнали о конфликте между силами во Вселенной. Прорыв может случиться в любой момент – к нему могут привести новые наблюдения, экспериментальные результаты или новый шаг в теории. Сейчас вопрос в том, сможем ли мы связать друг с другом квант и космос – это вопрос ожидания.

Ожидая прихода новой идеи или необъяснимого наблюдения, мы знаем одно: это полностью изменит наш взгляд на Вселенную. Мы не только сможем заглянуть в таинственные недра чёрных дыр, понять механизм рождения космоса или выявить истинную природу тёмной материи и энергии – мы, вероятно, узнаем намного, намного больше.

Благодарности

Крис благодарит своих коллег, друзей и семью за постоянную поддержку. Линдси, ты моя главная опора и бережный критик. Дилан, Макс, Уэс и Эван, вы меня вдохновляете. Надеюсь, «Квантовая физика для маленьких» подготовила вас к этой роли! Спасибо Герайнту за то, что он, ни минуты не раздумывая, поддержал безумную (как мне казалось) идею этой книги. Спасибо всей команде издательства Sourcebooks – вы много лет остаётесь моими потрясающими партнёрами.

Герайнт хочет сказать спасибо Крису за приглашение к сотрудничеству в написании этой книги, к объединению мира очень больших размеров с миром очень малых. Путешествие было невероятно приятным. Герайнт также благодарит Люка Барнса, Йона Шарпа, Салли Беннет, Мэтта и Джо Уилкена за комментарии, глубокое понимание и поддержку в работе над этой книгой. Любовь, которую дарила мне моя семья – Зденка, Брайан и Дилан – была бесценной, даже при том, что пандемия заперла нас всех в нашей маленькой квартирке, где и учёба, и работа велись дистанционно. Этот год будет нелегко забыть, и сумасшедшие времена, похоже, ещё не закончились. Но верьте, друзья: когда всё будет позади, мы снова встретимся.

Мы глубоко обязаны Анне Майкелс и коллективу издательства Sourcebooks за то, что они терпели заумную болтовню двух физиков и сумели превратить её во что-то приемлемое для чтения.

Об авторах

КРИС ФЕРРИ – доцент Технологического университета в Сиднее, Австралия, где он читает лекции и ведёт исследовательскую работу по квантовой физике, вычислительным методам и инженерии. Автор более 50 детских книг о науке, в том числе «Квантовая физика для малышей» [русский перевод: Крис Ферри. Квантовая физика для малышей, «Клевер», 2018 – Прим. пер.] и «Жила-была чёрная дыра, которая проглотила Вселенную». Отец четверых любопытных детей, Крис уверен, что никогда не бывает слишком рано рассказывать подрастающему поколению о больших идеях!

ГЕРАЙНТ Ф. ЛЬЮИС – профессор астрофизики в Сиднейском университете. Изучает «тёмную сторону космоса», тёмную материю и энергию, которые доминируют во Вселенной. Читает студентам лекции по физике и космологии. Автор двух научно-популярных книг о Вселенной и о том, как работает наука. Регулярно выступает с рассказами о чудесах Вселенной перед международной аудиторией. Его любимая фундаментальная сила – слабое взаимодействие!