Взрыв мироздания

Одними из первых свои версии предложили академики Яков Зельдович и Андрей Сахаров. По мысли этих выдающихся российских физиков, прежде всего надо было выяснить, не противоречит ли само предположение об образовании Вселенной «из ничего» основным законам сохранения, которые являются фундаментом современной физики. Причем нужно учесть, что самый общий закон сохранения материи в самых различных процессах так и формулируют: «из ничего не может получиться ничего». Подобную формулировку академики Зельдович и Сахаров отвергали «с порога», считая ее наивной и ненаучной, поскольку есть закон сохранения энергии и электрического заряда.

* * *

Прежде всего рассмотрим закон сохранения электрического заряда. Тут вроде бы все ясно и достаточно очевидно – запрета на рождение электронейтральной Вселенной пока еще никто не выявил, и наш мир вполне может содержать равное количество как положительных, так и отрицательных зарядов. Почему мы склоняемся именно к такой структуре мироздания? Тут можно рассуждать от противного: ведь если бы положительное и отрицательное электричество не компенсировали друг друга, то вокруг постоянно бушевал бы электрический шторм – возникали бы и тут же гасли сильнейшие электрические поля, разрушая однородность нашего мира.

Итак, Вселенная, судя по всему, строго нейтральна и вполне могла возникнуть «из ничего», не противореча закону сохранения электрического заряда.

Теперь следует проанализировать выполнение закона сохранения барионного заряда. Ядро любого атома состоит из равного количества протонов и нейтронов, поэтому для стабильности материи на атомарном уровне требуется постоянство суммы этих частиц. Ведь даже радиоактивность атомных ядер проявляет себя либо как перегруппировка нейтронов с протонами, либо как взаимные превращения нейтронов в протоны, и наоборот. Если бы закон сохранения барионного заряда не выполнялся, то протон, одна из основных ядерных частиц, как в свободном, так и в связанном ядерном состоянии был бы нестабильным, периодически распадаясь с выделением громадной энергии. Поскольку этого еще никто не наблюдал, то и вся Вселенная, возникшая «из ничего», должна иметь нулевой барионный заряд.

Рассмотрим закон сохранения энергии для Вселенной в целом? Напомним, что энергия покоящихся частиц эквивалентна ее массам – следовательно, сохранение энергии покоя эквивалентно сохранению массы. Мы уже знаем, что общая теория относительности связывает геометрию пространства и тяготение. При этом релятивистская теория гравитации Эйнштейна делает вывод: в замкнутом мире отрицательная энергия гравитации должна в точности компенсировать положительную энергию тяготеющей материи. Таким образом энергия «ничего» равна нулю, как и энергия замкнутой Вселенной. Поэтому закон сохранения энергии не должен противоречить образованию «из ничего» геометрически замкнутого мироздания. Вот так общая теория относительности устраняет последнее препятствие на пути возникновения нашего мира «из ничего».

Но что же в действительности вызвало Большой взрыв? Для ответа понадобилось полвека исследований, в результате которых выстроилась одна из самых удивительных в современной космологии гипотез рождения мироздания. Трудно даже перечислить всех физиков, астрономов и космологов, принесших свои оригинальные идеи на алтарь науки. Больше всего их было сформулировано в работах выдающихся физиков прошлого и нынешнего столетия: Джона Уилера, Стивена Хокинга, Якова Зельдовича, Андрея Сахарова и Игоря Новикова. Их суть сводится к тому, что наша Вселенная является результатом развития гигантского искажения некоего суперпространства.

Постепенно «стандартную» теорию возникновения нашего мира сменила оригинальная разработка видных российских физиков Эраста Глинера, Алексея Старобинского, Давида Киржница и Андрея Линде. В этом космологическом сценарии описывалось рождение Вселенной в процессе сверхбыстрого расширения: инфляции. Основой для описания этого явления послужили общая теория относительности Эйнштейна и хорошо изученный раздел теоретической физики – квантовая теория поля.

Еще совсем недавно у физиков существовало своеобразное табу на исследование пространства и времени за границей рождения Вселенной. Сейчас уже возникло довольно много теорий, описывающих, как могло выглядеть то очень таинственное нечто, в чем и возник наш мир. Во-первых, это, конечно же, должно быть не обычное состояние иного пространства – времени. Ведь в нашей повседневной реальности вокруг не рождаются новые Вселенные! И даже если бы это происходило, мы просто перенесли бы вопросы рождения мироздания в эту старую Вселенную, а потом в еще более старую, и так далее.

В математике такой процесс хождения по кругу одних и тех же понятий носит название «дурная бесконечность» и он по определению не способен дать чего-либо нового познанию. Поэтому физики и рассматривают среду, где возник наш мир, как суперпространство со многими измерениями.

Для наглядности достаточно взять лист бумаги и представить, что на нем находится наше мироздание нулевой толщины, тогда окружающее лист пространство и будет моделью исходного суперпространства.

И тут возникает очень любопытная логическая головоломка. Ведь если геометрического центра Большого взрыва не существует, и он происходил (а по некоторым теориям и происходит «повсюду»), то где-то вокруг нас и спрятано суперпространство. Первые подозрения, как всегда в подобных случаях, вызывают так называемые сугубо квантовые объекты.

Для тех, кто совсем не знаком с основами квантовой механики, поясним, что это сверхмикроскопические частицы, ведущие себя совершенно непостижимым образом. Если представить наше мироздание состоящим из этажей, то эти удивительные частицы будут обитать в подвале, где-то вблизи самого фундамента мира. Там, в кажущейся пустоте вакуума, постоянно бушуют шторма физических полей, периодически заставляя его выплескивать энергию (флуктуировать) на более высокие масштабные этажи материи. При этом в сверхпространстве возникает вереница возмущений (по-научному – топологических аномалий), чем-то напоминающих пузырьки в пенящейся жидкости. Внутри каждого пузырька существует особенный мир и собственное время, стрелка которого пробегает краткий миг от рождения до схлопывания. Подавляющая доля таких миров-пузырьков имеет невообразимо малый период существования, но при этом они успевают проявить себя как полноценные замкнутые мини-вселенные.

Что же задержало в свое время квантовый пузырек нашей Вселенной от практически мгновенного схлопывания? Первично неустойчивое состояние вакуума в результате образования пузырька новой Вселенной могло привести к тому, что внутри возникшего мира вакуум начал неожиданно менять свои свойства, стремясь к новому устойчивому пределу. Этот процесс перестройки вакуума должен по теоретическим расчетам сопровождаться гигантским выделением энергии, результатом чего и явился Большой взрыв. Этот процесс можно представить как своеобразный взрыв вакуума – взрыв непустой пустоты!

Естественно, грандиозный масштаб таких взрывных процессов, скрывающихся в окружающем нас мире, вызывает очень много вопросов к новой космологии. Однако исторический опыт науки, особенно последних десятилетий, показывает плодотворность подобных смелых попыток заглянуть за границу известного.

Рождение и гибель виртуальных Вселенных является близким аналогом хорошо известного в квантовой физике эффекта поляризации вакуума – рождения и гибели виртуальных пар частиц-античастиц.

Физиков всегда интересовала природа движущих сил и сам изначальный процесс Большого взрыва. Именно поэтому сейчас предпринимаются многочисленные попытки построить универсальную теорию, которая была бы применима к любым этапам эволюции нашей Вселенной. Поскольку в первые мгновения после Большого взрыва самой главной силой была гравитация, считается, что достичь этой цели возможно только в рамках пока гипотетической квантовой теории гравитации.

Одно время физики надеялись, что квантовая гравитация будет описана с помощью теории суперструн.

Объектами этой теории являются разнообразные струны и многомерные мембраны, которые летают в пространстве и времени сверхмикроскопического мира. Однако у этой теории есть свои трудности, и сейчас теоретики стали уделять больше внимания иным подходам к описанию среды, из которой возникла Вселенная, в частности, петлевой квантовой гравитации.

Именно в рамках петлевой квантовой гравитации недавно был получен очень впечатляющий результат. Оказывается, из-за квантовых эффектов начальная сингулярность исчезает. Большой взрыв перестает быть особой точкой, и удается не только проследить его протекание, но и заглянуть в самое таинственное досингулярное прошлое.

Уже многие столетия, начиная с античных времен, естествоиспытатели и философы задаются вопросом: не из дискретных ли частей состоят пространство и время? Действительно ли окружающий нас объем непрерывен, или больше похож на кусок ткани, сотканной из отдельных волокон? Если бы мы могли наблюдать чрезвычайно малые объекты, то увидели бы атомы пространства, неделимые мельчайшие частицы объема? А как быть со временем: плавно ли происходят изменения в природе, или мир развивается крошечными скачками, словно компьютер?

За последние годы ученые заметно приблизились к ответам на эти вопросы.

Согласно теории со странным названием «петлевая квантовая гравитация» пространство и время действительно состоят из дискретных частей. Расчеты, выполненные физиками-теоретиками, описывают простую и красивую картину, которая помогает нам объяснить загадочные явления, относящиеся к зарождению нашей Вселенной и Большому взрыву. Но главное достоинство упомянутой теории заключается в том, что уже в ближайшем будущем ее предсказания можно будет проверить экспериментально, и ученые смогут обнаружить атомы пространства и времени, если они действительно существуют.

В петлевой теории гравитации главные объекты – невообразимо малые квантовые ячейки пространства, определенным способом соединенные друг с другом. Их связью и состоянием управляет некое внутреннее поле. Величина поля – некий «таймер» для ячеек: переход от слабого поля к более сильному выглядит совершенно так, как если бы существовало прошлое, которое способно повлиять на будущее.

Этот закон устроен так, что для достаточно большой Вселенной с малой концентрацией энергии ячейки как бы сплавляются друг с другом, образуя привычное нам «сплошное» пространство – время.

Многие космологи и астрофизики утверждают, что всего этого уже достаточно, чтобы решить задачу о том, что происходит с Вселенной при приближении к сингулярности. Решения полученных ими уравнений показали, что при экстремальном сжатии Вселенной пространство рассыпается, квантовая геометрия не позволяет уменьшить его объем до нуля, неизбежно происходит остановка и вновь начинается расширение. Эту последовательность состояний можно отследить как вперед, так и назад во времени, а значит, до Большого взрыва должен быть еще и Большой хлопок – коллапс «предыдущей» Вселенной. При этом свойства предыдущей Вселенной не теряются в процессе ее гибели, а передаются в нашу.

Впрочем, можно принять и точку зрения знаменитого космолога Стивена Хокинга.

Несмотря на полный паралич и невозможность общаться обычным способом именно его мощный интеллект управляет той исторической кафедрой, которую когда-то занимал великий Ньютон. Кроме чтения лекций (с помощью синтезатора речи) Хокинг пишет научно-популярные книги и создает интереснейшие научные гипотезы, всегда находящиеся на самом переднем крае научного познания. Хокинг считает, что все наши космологические теории основаны на предположении, что пространство – время гладкое и почти плоское. Это означает, что все данные теории нарушаются в момент Большого взрыва, ведь пространство – время бесконечной кривизны трудно назвать почти плоским! Таким образом, если что-то и предшествовало Большому взрыву, оно не даст ключа к пониманию того, что случилось позже, потому что предсказуемость нарушается в момент Большого взрыва. Аналогично, зная только то, что случилось после него, мы не можем определить, что было раньше. По мнению Хокинга события, предшествовавшие Большому взрыву, не могут иметь никаких последствий для нас и поэтому не должны приниматься в расчет при научном описании Вселенной.

Глава 2. Под лавиной космологической инфляции

В настоящее время физики вынашивают мысль, что Вселенная в ее первоначальном «игрушечном» состоянии, по-видимому, образовалась из ничего в результате случайного процесса и что, может быть, даже существует бесконечное число таких крошечных протовселенных, непрерывно образующихся в бесконечном объеме пустоты, и мы живем в одной из бесчисленного множества вселенных.

Впрочем, большинство физиков довольствуются тем, что прослеживают Вселенную вспять до Большого взрыва и тут ее оставляют. Есть значительная неуверенность относительно начальных стадий этого огромного феномена, а также перехода от Большого взрыва к Вселенной в ее настоящем виде. Самые ранние периоды эволюции Вселенной все еще за семью печатями.

    А. Азимов.
    Взрывающиеся солнца.
    Тайны сверхновых

Представим себе горный склон, покрытый снегом, в который вкраплены разнородные мелкие предметы – камешки, ветки, кусочки льда. Кто-то, находящийся на вершине этого склона, слепил снежок и пустил его катиться с горы. Двигаясь вниз, снежок увеличивается в размерах, поскольку на него налипают новые слои снега со всеми вкраплениями. Чем больше размер снежка, тем быстрее он будет расти. Очень скоро снежный шарик превратится в огромный ком. Если склон заканчивается пропастью, то он полетит в нее, и скорость полета будет все время увеличиваться. Достигнув дна, ком разобьется, и его составные части разлетятся во все стороны.

Теперь опишем основные положения теории, используя приведенную аналогию. Прежде всего, необходимо построить «арену действия» и для этого ввести гипотетическое поле, которое физики назвали «инфлатонным» (от слова «инфляция»). Это поле, как снег на склоне горы, заполняет собой все пространство. Благодаря случайным колебаниям оно принимает разные значения в произвольных пространственных областях и в различные моменты времени. Ничего существенного не происходит до тех пор, пока случайно не образовывается однородная конфигурация этого поля критического размера.

Сразу после этого пространственная область, занятая флуктуацией, начинает очень быстро увеличиваться в размерах, а учитывая стремление инфлатонного поля занять положение, в котором его энергия минимальна, процесс расширения приобретает лавинообразный характер, и по склону горы мчится снежный поток. Такое расширение продолжается невообразимо малую долю секунды, но этого хватает, чтобы диаметр Вселенной вырос почти до одного сантиметра.

Инфляция заканчивается, когда инфлатонное поле достигает минимума энергии – дальше падать некуда. При этом накопившаяся кинетическая энергия переходит в энергию рождающихся и разлетающихся частиц, иначе говоря, происходит нагрев Вселенной. Как раз этот момент и называется сегодня Большим взрывом.

Инфлатонная гора, о которой говорилось выше, может иметь очень сложный рельеф – включая разнообразные минимумы – долины и впадины, холмы и кочки. Снежные комья (будущие вселенные) непрерывно рождаются наверху горы колебаниями – флуктуациями – поля. Каждый ком может скатиться в любой из минимумов, породив при этом свою вселенную со специфическими параметрами. Новые вселенные могут существенно отличаться друг от друга как составом материи, так и физическими законами. Что же касается свойств нашей Вселенной, то они удивительным образом оказались приспособленными к тому, чтобы в ней возникла разумная жизнь. Другим вселенным в этом отношении, возможно, повезло меньше.

В последние десятилетия развитие космологии и физики элементарных частиц позволило более подробно рассмотреть самую начальную сверхплотную стадию инфляционного расширения Вселенной. Получается, что Вселенная рождалась в два приема: проходя стадию «увеличения объема», заполненного физическим полем, но не содержащим ни вещества, ни излучения, – и стадию появления вещества и излучения и последующего образования из него звезд, галактик, планет и всего прочего.

Ученые, разрабатывающие космологические сценарии инфляционного рождения нашего мира, предлагают самые разнообразные физические механизмы этого процесса. Среди прочих гипотез выделяется оригинальностью теория вечной инфляции, предполагающая, что квантовые флуктуации, подобные тем, которым мы обязаны существованием нашего мира, могут возникать самопроизвольно и в любом количестве. Они способны давать начало рождению все новых и новых вселенных. Не исключено, что и наше мироздание вышло из флуктуационной зоны, сформировавшейся в мире-предшественнике. Точно так же можно допустить, что когда-нибудь и где-нибудь в нашей собственной Вселенной возникнет флуктуация, которая создаст юную вселенную совсем иного рода, тоже способную в дальнейшем к космологическому «деторождению». Можно пойти дальше и построить модель, в которой инфляционные вселенные возникают непрерывно, отпочковываясь от своих родительниц и находя для себя собственное место.

Случайные отклонения энергии физического ваку ума, запускающие инфляционный процесс, могут случаться в неодинаковых формах. Это означает, что остывшие после инфляции вселенные отнюдь не копируют друг друга. Речь идет даже не о том, что они могут различаться по внешнему виду и потому эволюционировать по-разному. Вполне можно допустить, что в них устанавливаются различные физические законы или одни и те же законы, но с разными значениями фундаментальных физических постоянных (например, скорости света). Эти вселенные не обязательно будут обладать лишь тремя пространственными осями, число измерений может быть и другим.

Сценарий хаотической инфляции

Помните, мы говорили об искривлении пространства? Двухмерный мир на листе бумаги нетрудно изогнуть таким образом, что получится какая-нибудь незамкнутая поверхность, например, нечто похожее по форме на седло. А если очень уж постараться, то можно согнуть плоский лист и в замкнутую сферу.

Подобным же образом искривленное трехмерное пространство может быть разомкнутым, а может быть и замкнутым. Каким именно оно станет, зависит от многих обстоятельств. Например, если плотность материи в таком мире будет ниже некоей критической величины, то он окажется незамкнутым, сможет расширяться до бесконечности. Тогда луч света, выпущенный из какой-либо точки внутри него, никогда не вернется назад, разве что отразится, натолкнувшись на какую-либо преграду. Если же плотность вещества превысит некоторое критическое значение, то пространство окажется замкнутым. Оно будет то расширяться, то сжиматься, не выходя все-таки за некоторые пределы.

В свое время Ньютон полагал, что пространство плоское и бесконечное. Эйнштейн разрешил нашему миру быть не только безграничным и кривым, но и замкнутым. Новейшие данные, полученные в процессе исследования реликтового излучения, свидетельствуют о том, что Вселенная вполне может быть замкнута сама на себя. Получается, что если все время удаляться от Земли, то в какой-то момент начнешь к ней приближаться и в конце концов вернешься назад, облетев всю Вселенную.

Наглядно такой пульсирующий замкнутый мир можно представить в виде резинового шара, который то раздувается, то спускает воздух. Разумеется, при всем старании нам вряд ли удастся раздуть камеру больше критического объема поверхности, за которым последует ее разрыв. В данном замкнутом пространстве свет, направленный в одну сторону, может облететь всю полость и вернуться с другой стороны, так и не вырвавшись наружу.

Видный физик-теоретик Моисей Марков создал математический образ подобного мира и назвал такие образования фридмонами – в честь впервые указавшего на возможность их существования российского ученого Александра Фридмана.

Удивительные вещи должны происходить в таком замкнутом мире. Попробуем описать их опять-таки при помощи упрощенной двухмерной аналогии. Пусть наши плоские существа живут теперь не просто на искривленной плоскости, а на поверхности сферы. Для наглядности можно воспользоваться моделью двумерного мира, населенного плоскими разумными существами. В таком мире действовали бы иные физические законы, и сила взаимодействия между двумя зарядами изменялась бы в другой пропорции от расстояния.

Двумерные существа, будучи соответствующим образом искривленными, могли бы жить на искривленной поверхности, например на сфере, центр которой недоступен для наблюдений их двумерными приборами. Они могли бы построить модель Вселенной как целого, безграничную, но конечную, содержащую конечное количество квадратных километров. Модель охватывала бы все, доступное их чувствам и физическим приборам, но с точки зрения внешнего наблюдателя их мир – лишь часть чего-то более обширного. Очевидно, вопрос, интересующий двумерных аборигенов, состоит в том, можно ли считать внутренность сферы с центром и охватывающее сферу внешнее пространство реально существующими, если до сих пор они себя никак не проявляли в сферическом мире и, может быть, никогда и не проявят? Нарисованная картина без особых проблем может быть перенесена и на трехмерные сферы, находящиеся в пустом (а пустом ли?) неискривленном (или даже искривленном) пространстве большего числа измерений.

Полностью замкнутый мир никоим образом, по идее, не проявляет себя вовне: из него не проникают наружу даже световые лучи. Значит, снаружи он должен представлять для стороннего наблюдателя нечто, не имеющее ни размеров, ни массы, ни электрического заряда.