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

Громадные размеры наблюдаемой Вселенной объясняются тем, что она расширяется уже почти 14 миллиардов лет. Но, когда астрономы только начинали осознавать, что она расширяется, их сразу же начали тревожить некоторые странности. В какую бы сторону они ни смотрели, в какие бы мощные телескопы ни заглядывали, они видели, по сути, одно и то же: звёзды и галактики.

Возьмём какой-нибудь из телескопов Северного полушария и направим в случайную точку на небе. Что мы увидим? В сравнительно близких областях Вселенной – отдельные звёзды Млечного Пути, которые будут становиться слабее и слабее по мере того, как мы будем заглядывать всё дальше и дальше. Затем мы увидим другие галактики, сначала довольно большие – пока они будут не слишком далеко от нашей. Потом галактик будет становиться всё больше, а сами они – всё меньше и проще по форме. Ведь свет распространяется с конечной скоростью, и далёкие галактики видны нам в своём далёком прошлом. Наконец мы увидим совсем крохотные, едва сформировавшиеся галактики Ранней Вселенной, свет которых шёл до нас много миллиардов лет. А если наш телескоп способен принимать радиоволны, мы уловим и свечение космического микроволнового фона.

Повторим этот эксперимент с телескопом в Южном полушарии, направив его противоположно точке, которую мы выбрали в Северном. Что мы увидим здесь? Снова звёзды Млечного Пути, очень похожие на те, что мы уже видели на севере, но складывающиеся в другие фигуры – астеризмы[17] и созвездия. В этом нет ничего неожиданного, ведь мы живём в глубине нашей Галактики. За областью звёзд Млечного Пути мы увидим множество других галактик, не тех, что на севере, но очень похожих по размерам и форме.

Глубже всматриваясь во Вселенную, мы увидим более молодые галактики, затем, ещё дальше – новорождённые, а потом – непроницаемую стену космического микроволнового фона. Понятно, что при всем различии подробностей общая картина, наблюдаемая в телескоп на юге, очень похожа на северную. То, что, куда ни посмотри, выглядит одинаково, должно само по себе быть очень однородным, «гладким».

Получается, что всё равно, куда мы направляем свой телескоп – повсюду видно одно и то же. И это странно! Почему? А потому, что участки Вселенной, которые мы разглядываем в наш телескоп, могут быть разделены многими миллиардами световых лет. Эти участки всегда были разделены, они никогда не оказывали друг на друга никакого влияния. Так почему же далёкие области Вселенной в одной стороне неба выглядят настолько похожими на те, что напротив? Разве не должны были они зарождаться чуть по-разному, потом чуть по-разному развиваться, а в результате – иначе выглядеть?

Может быть, в самом начале условия повсюду были почти одинаковыми, а потом эволюция всех отдельных участков шла очень похожим путём? Физикам эта идея совсем не нравится: она означает, что начальное состояние Вселенной было точно настроено на то, чтобы повсюду привести к одному и тому же результату. Предположение о такой тонкой настройке учёные встречают в штыки: они очень подозрительны, когда, чтобы объяснить эксперименты и наблюдения, требуется допущение об особых условиях. С другой стороны, конечно, такая особая ситуация, как рождение Вселенной, могла требовать этих условий; вызвать её к жизни мог неизвестный процесс, которого мы пока не понимаем, и в этом процессе могло содержаться требование, чтобы Вселенная была гладкой и повсюду одинаковой.

Существует ли какой-либо иной, физический путь «разглаживания» изначальной Вселенной? Что-то, что заставляет Вселенную выглядеть одинаково в любой точке?

Энергетические горки

Ответ на этот вопрос – «да». Но чтобы понять, каков этот путь, нам придётся немного отклониться в сторону. Давайте представим себе горную цепь с высокими пиками и глубокими долинами, тянущуюся по морскому берегу. Допустим, на вершину одного из пиков мы поместили мяч. Куда он покатится? Конечно, вниз, в долину. Катясь, он будет терять энергию на трение, чуть нагревая себя и поверхность горы, и наконец остановится в самой нижней точке, какую сумеет найти. Когда наш мяч высоко, на вершине пика, у него большая потенциальная энергия. Когда он катится вниз, энергия преобразуется в кинетическую, которая в конечном счёте тоже переходит в тепло. Это общий закон Вселенной: потенциальная энергия в конце концов минимизируется, а потерянная – переходит в тепло. Вы, возможно, слышали об этом законе – втором начале термодинамики.

Для наших целей в качестве точки с самой низкой потенциальной энергией вполне подойдёт уровень моря. Тогда почему мяч оказался в долине, а не в океане? В долине у него ещё осталась потенциальная энергия. Дело в том, что, хотя океан действительно обеспечивает минимум потенциальной энергии, в каждой долине есть её локальный минимум – по крайней мере, в окрестности некоторой точки. Такие точки называются точками устойчивого равновесия. Говоря о мяче и его положении в долине, мы называем его состояние устойчивым: он просто-напросто лежит, где остановился. Однако во всех других местах вне долины состояние мяча неустойчиво: он покатится куда-то ещё. Чтобы унести мяч из долины, потребуется столько энергии, чтобы можно было перекатить его через ближайший пик. Такой переход из одного устойчивого состояния в другое требует толчка, впрыскивания энергии, которая бы заставила мяч начать двигаться из устойчивого положения.

Этот рисунок прекрасно иллюстрирует ситуацию, которая возникает каждый раз, когда мы говорим об энергии и путях её перехода из одной формы в другую. Дело, конечно, не в мячиках, катающихся по горкам. Мяч представляет объект, энергетическое состояние которого нас интересует, гора – потенциальную энергию этого объекта, а положение мяча – собственно состояние объекта, сумму всей информации об объекте, которой мы располагаем. Весь рисунок в целом построен на нашей интуиции, и это подсказывает, что мы вернулись в рамки классической физики. Но при этом надо быть готовыми к квантовому повороту!

Математикам не потребовалось много времени для того, чтобы, воспользовавшись первыми успехами квантовой физики, залатать пробоины в здании физики классической. Их теоретические достижения выглядели как модификация классических теорий, позволявшая тем соответствовать новой парадигме. Этот процесс получил название квантования. Творцы квантовой физики квантовали ньютоновскую физику: законы движения и описание реакций тел на действующие на них силы. Но выведенных Максвеллом уравнений электродинамики этот процесс не коснулся – чтобы квантовать электродинамику, требовался новый мощный математический аппарат. Его изобретение выявило возможность существования новых физических сил – слабого и сильного ядерного взаимодействия.

Эти силы обобщены в рамках того, что мы называем «стандартной моделью»[18]. За довольно скучным названием скрывается комплекс тщательно разработанных мощных математических рецептов, позволяющих точно вычислять действие каждой из сил. Кроме того, стандартная модель описывает связанные с силами частицы – квантованные порции энергии, опосредующие каждую из сил. Увы, со множеством непривычных терминов в этой модели придётся смириться, но мы постараемся побыстрее с ними освоиться.

Подытожить стандартную модель можно так. Есть четыре силовых частицы, носящие общее название бозонов, в честь индийского физика Сатьяндраната Бозе: фотон, переносящий электромагнитные взаимодействия, глюон – частица сильного взаимодействия в атомных ядрах, и загадочно названные частицы W и Z, ответственные за слабое взаимодействие – что-то вроде радиоактивности. В эту компанию входит ещё бозон Хиггса – самый, может быть, знаменитый из всех бозонов – он связан с процессом, благодаря которому частицы приобретают массу.[19] Кроме бозонов, есть 12 частиц, из которых состоит вещество. Они называются фермионами в честь итальянского физика Энрико Ферми. Шесть из них – кварки, единственные частицы, чувствительные к сильному взаимодействию: верхние, нижние, странные, очарованные, прелестные и истинные. Сочетаясь друг с другом разными способами, кварки образуют фундаментальные «строительные кирпичики» вещества, в том числе более привычные для нас протоны и нейтроны.

Остальные шесть фермионов— лептоны: в их число входит электрон и два его собрата мюон и таон, каждый из которых тяжелее предыдущего, а также три разновидности частицы, называемой нейтрино. С каждой из этих частиц мы ещё познакомимся поближе.

Однако в стандартной модели зияет пропущенное звено: гравитация. До сих пор она не поддаётся квантованию, и вовсе не потому, что научное сообщество недостаточно много работает над решением этой проблемы! Некоторые физики посвятили всю жизнь попыткам включить гравитацию в стандартную модель. Постоянно появляются и уходят новые варианты квантовых теорий тяготения, но большинство из них так и не получает никаких экспериментальных подтверждений.

Площадками, на которых происходит поиск новых квантовых теорий, стали великолепные исследовательские лаборатории современной теоретической физики – ускорители частиц, такие, например, как грандиозный Большой Адронный Коллайдер, построенный Европейским советом по ядерным исследованиям (CERN) на границе Швейцарии и Франции. В ускорителях сталкиваются друг с другом частицы, разогнанные почти до скорости света, и столкновения приводят к рождению новых. За последние 60 с лишним лет эксперименты на ускорителях выявили существование множества частиц, о которых мы не знали раньше. Пытаясь найти всё новые гипотетические – а возможно, и совершенно неожиданные – частицы, физики строят ускорители всё больших и больших масштабов. Некоторые из обнаруженных частиц – в том числе упомянутый бозон Хиггса – открывают для нас энергетические поля, на которых зиждется существование Вселенной.

Потенциальное решение вопроса о том, почему Вселенная выглядит такой однородной, – существование ещё одного энергетического поля, так называемого инфлатонного.[20] Ассоциированная с ним частица, которую называют инфлатоном, пока гипотетична и к тому же могла существовать только в ранней Вселенной.[21] То, что в нашу эпоху мы её не наблюдаем, свидетельствует, что в прошлом должно было произойти некое драматическое событие – возможно, самое драматическое за всю историю космоса. Но не будем забегать вперёд: вернёмся к нашим горкам.

В классических энергетических горках долины – участки устойчивости. Состояние может быть устойчивым или неустойчивым – чёрным или белым. В случае горок квантовой энергии устойчивость предстаёт как спектр оттенков серого. Вспомним: на нашем рисунке с энергетической горкой уровень моря был самым низким уровнем потенциальной энергии. В квантовой физике он называется состоянием вакуума.

Кинетическая энергия мяча (когда он катится из долины) аналогична квантовым возбуждениям и проявляется в виде частиц. Таким образом, энергия, ассоциированная с силой определённого вида, соответствует долине в отсутствие частиц и движению по склону горки в их присутствии. Мяч может застрять в долине и остаться в ней навсегда, так и не докатившись до моря – своего вакуумного состояния. Но в квантовой физике, где движение и положение в пространстве – понятия неопределённые, дела обстоят интереснее. Спонтанные квантовые флюктуации могут быть просто толчком, необходимым для создания того, что называется фазовым переходом.

Перерыв на водные процедуры

Как только появляется квантовый жаргон, всё сразу начинает казаться страшно сложным. Ну, вот что это за «фазовый переход»? Возьмём стакан воды, немного отольём оттуда и дольём снова. Перед нами тот же самый стакан воды? Вроде бы, да. Вода выглядит вполне однородной. У неё есть свойство, которое физики называют симметрией. Но в другой раз давайте перед тем, как добавить новую часть воды, заморозим её. Теперь появилась кое-какая разница: каждый раз, когда мы замораживаем воду, получившийся лёд выглядит чуть иначе.

Если у вас дома есть форма для ледяных кубиков, вытащите несколько штук и осмотрите их внимательно. У каждого кубика разные трещинки, вмороженные пузырьки воздуха, другие дефекты и особенности. Если мы заменим часть кубика на такой же кусочек другого кубика, у нас получится явно другой ледяной кубик. Мы говорим: лёд не так симметричен, как вода, которую мы заморозили, чтобы его получить. Нагревая воду вместо того, чтобы замораживать, мы получим противоположный эффект. Водяной пар ещё однороднее, чем жидкая вода (чем горячее в принципе материал, тем он более однороден). Причина этого связана с тем, насколько плотно упакована энергия.

Вспомните, что в школе вы уже слышали что-то очень похожее об агрегатных состояниях или фазах вещества. Каждое химическое соединение, например, H20, может существовать в твёрдом, жидком или газообразном состоянии (для воды – лёд, вода и водяной пар). Это классические фазы вещества. Привлекая квантовую физику, мы получаем ещё десятки состояний, удачно названных экзотическими фазами.[22] Квантовые состояния и их фазы не так просто визуализировать, но когда происходит переход из одной фазы в другую, результат этого перехода может проявиться так же быстро, как вылет молекул воды из жидкости в воздух или их остановка и образование ими твёрдого ледяного кристалла.

Возвратимся к нашим знакомым энергетическим горкам. Уровень моря – всё равно что очень холодный лёд: это самая низкая энергия, которую может приобрести классическая твёрдая фаза H₂0. В жидкой воде энергии побольше – теперь мы в высокогорной долине. Поднимемся ещё выше, на вершину горы: это аналог водяного пара. Нагревая лёд, мы переносим его через вершину пика и опускаем в долину с жидкостью. Добавим ещё тепла – и мы перенесём вещество через следующий пик и поместим в газовую долину.

Двигаться в другую сторону не так просто и очевидно. Начнём, скажем, с жидкой воды. Удерживая её при фиксированной температуре выше 0 °C (32°F), мы позволим ей спокойно плескаться в долине. Теперь начнём понижать окружающую температуру. Энергия теряется, но это значит одно: уровень воды в долине и высота волн будут понижаться. Как же воде перевалить через пик и перелиться на твердую ледяную равнину – уровень моря?

Короткий ответ: никак. Во всяком случае, без посторонней помощи. Этот опыт тоже можно попробовать провести в домашних условиях. Возьмите бутылку дистиллированной воды и поместите её в морозилку. Мы ждём, что, когда она станет холоднее 0 °C, она превратится в лёд. Это и случится с нормальной водой, содержащей примеси и включения – они-то и станут местами, в которых начнётся замерзание. Но чистая вода, без включений, не замёрзнет! Вы найдёте у себя в морозилке жидкую воду с температурой –18 °C (или –0.4°F – это обычная температура в морозильной камере). Если вы будете достаточно аккуратны, вы сможете получить жидкую воду даже при температурах примерно до –50 °C (–58°F)! Это и есть переохлаждённая вода, запертая в своей «жидкой долине».[23] У воды с примесями энергетический ландшафт отличается менее ярко выраженными долинами, и, остывая, она будет соскальзывать вниз по склону горы, не задерживаясь больше ни в каких долинах.

[17] Астеризм – звездный узор знакомой формы. Его границы в отличие от созвездий, строго не определены.

[18] Стандартная модель: Европейский Совет по ядерным исследованиям (CERN) – международная коллаборация учёных, которой сделано множество научных открытий первостепенной важности. Ею также подготовлено огромное количество образовательных материалов по физике высоких энергий. Более подробно о стандартной модели см. “The Standard Model”, CERN, accessed November 23, 2020, https://home.cern/science/physics/standard-model.

[19] Бозон Хиггса: вообще-то в науке нет стандартов для имён и названий, которые даются новым идеям или объектам, но иногда названия даются в честь одного из учёных, сделавших открытие. В данном случае физика обязана сделанным открытием шести учёным: Роберту Брауту, Франсуа Энглерту, Питеру Хиггсу, Джеральду Гуральнику, К. Ричарду Хагену и Тому Кибблу. Из них только двое получили в 2013 году Нобелевскую премию по физике. Обсуждение влияния политики на науку см. в Joel Achenbach, “Nobel Committee’s ‘Rule of Three’ Means Some Higgs Boson Scientists Were Left Out,” Washington Post, October 8, 2013, https://www. washingtonpost.com/national/health-science/peter-higgs-francois-englert-win-nobel-prize-in-physics/2013/10/08/1d96aa72–2f98–11e3-8906-3daa2bcde110_story.html.

[20] Космическая инфляция: разработка теории инфляционной Вселенной описана её создателем Аланом Гутом в книге Alan Guth, Teh Infl ationary Universe: Teh Quest for a New Teh ory of Cosmic Origins (New York: Perseus, 1997).

[21] Инфлатоны: о гипотетических свойствах инфлатонов известно немного. Вероятно, поэтому о них так мало можно прочесть на популярном уровне. Вам лучше всего начать со статьи Paul Sutter, “How Did Inflation Happen – and Why Do We Care?” Space, October 26, 2018, https://www.space.com/42261-how-did-inflation-happen-anyway.html.

[22] Экзотические фазы вещества: кроме жидкой, газообразной и твёрдой есть ещё фаза плазмы и много экзотических фаз, с которыми исследователям ещё предстоит освоиться. См. Natalie Wolchover, “Physicists Aim to Classify All Possible Phases of Matter,” Quanta Magazine, January 3, 2018, https://www.quantamagazine.org/ физикs-aim-to-classify-all-possible-phases-of-matter-20180103/.

[23] Переохлаждённая вода: если вам не хочется ставить эксперимент самим, введите этот термин в поисковое поле на YouTube, и вы получите сотни ссылок на видео мгновенно замерзающей воды. Рекомендуем вот это: D. Muller [Veritasium], “Supercooled Water— Explained!” March 22, 2011, YouTube video, 3:35, https://youtu.be/ ph8xusY3GTM.