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

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.

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.

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.

[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.

[14] Большинство космологов недовольны: несмотря на успех популярной книги Лоуренса Краусса (Lawrence Krauss. A Universe from Nothing (New York: Atria, 2012) [Русский перевод: Лоуренс Краусс. Вселенная из ничего. Почему не нужен бог, чтобы из пустоты создать Вселенную. Пер. А. Бродоцкой, ACT, 2016. – Прим. пер.], предложено множество альтернатив для того, что предшествовало Большому Взрыву: от предположения, что наша Вселенная – всего лишь элемент бесконечной последовательности повторяющихся Вселенных (экпиротическая космология) до космологического искусственного отбора, где одни вселенные порождают другие посредством чёрных дыр, и до концепции мультивселенной, в рамках которой наша Вселенная – лишь одна из многих. Мы попросту не знаем, какую выбрать. См. недавнее обсуждение этой темы здесь: Stephanie Pappas, “What Happened before the Big Bang?” Live Science, April 17, 2019, https://www.live-наука. com/65254-what-happened-before-big-big.html.

[15] Мультивселенная: это не просто единичная физическая концепция, но скорее целый ворох идей. См. отличный обзор профессора Макса Тэгмарка (вам придётся простить устаревший веб-дизайн его сайта): Max Tegmark, “Welcome to My Crazy Universe”, Universe of Max Tegmark, accessed November 23, 2020, https://space.mit.edu/home/tegmark/crazy.html.

[16] В начале: подробное, но осторожное поминутное описание того, что происходило в самом начале образования Вселенной, можно найти у Стивена Вайнберга – Steven Weinberg, Teh First Trh ee Minutes: A Modern View of the Origin of the Universe, 2nded. (New York: Basic Books, 1993). [Русский перевод: Стивен Вайнберг. Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной. Пер. В.А. Строкова, АСТ, 2022 – Прим. пер.]. А если вам нравятся леденящие душу подробности, прочтите книгу Edward W. Kolb and Michael S. Turner, Teh Early Universe (New York: CRC Press, 1994).