Брайан Грин – До конца времен. Сознание, материя и поиски смысла в меняющейся Вселенной (страница 13)

Для этого нам нужно получше разобраться в ряде деталей космологической картины мира. И прежде всего, что заставило изначальное «зерно» начать расширение? Или, проще говоря, что послужило пусковым механизмом Большого взрыва?

В любом языке существует множество антонимов, потому что наш опыт полон противоположностей. Физике тоже досталось: порядок и беспорядок, вещество и антивещество, положительный и отрицательный. Однако со времен Ньютона сила тяготения, кажется, не вписывалась в эту общую закономерность. В отличие от электромагнитной силы, которая может притягивать, а может и отталкивать, гравитация, казалось, умеет только притягивать. Согласно Ньютону, гравитация действует между объектами, будь то частицы или звезды, и заставляет их притягиваться друг к другу — но не наоборот. В отсутствие принципа, который требовал бы симметрии во всех механизмах природы, большинство из тех, кто глубоко задумывался о тяготении, рассматривали его односторонний характер как изначальную характеристику, которую необходимо просто принять. Эйнштейн изменил ситуацию. Согласно общей теории относительности, гравитация может быть отталкивающей. Ньютон не предвидел отталкивающего тяготения, и ни вы, ни я никогда такого не видели. Но отталкивающая гравитация делает ровно то, на что намекает ее название. Вместо стягивания вместе, она расталкивает наружу.

Согласно уравнениям Эйнштейна, большие комковатые штуки вроде звезд и планет испытывают на себе действие обычной притягивающей версии гравитации, но существуют экзотические ситуации, в которых сила тяготения может расталкивать объекты прочь друг от друга.

Хотя способность гравитационной силы работать на отталкивание была известна Эйнштейну, как и многим ученым, которые работали над общей теорией относительности после него, ее самое глубокое приложение было открыто более чем полвека спустя. Молодой исследователь Алан Гут понял, что отталкивающая гравитация в принципе могла бы разрешить одну ставящую в тупик космическую загадку. Наблюдения говорят нам, что Вселенная расширяется. Уравнения Эйнштейна с этим согласуются. Но уравнения умалчивали, какая сила миллиарды лет назад запустила процесс расширения. Проведенные Гутом подробные математические расчеты, кульминацией которых стала бессонная ночь в декабре 1979 г., полная лихорадочных вычислений, заставили эти уравнения заговорить.

Гут понял, что если некая область пространства заполнена особой субстанцией, которую мне нравится называть «космическим топливом», и если энергия, содержащаяся в этом космическом топливе, равномерно распределена по этой области, — а не собрана в комок, как звезда или планета, — то результирующая гравитационная сила на самом деле получится отталкивающей. Точнее говоря, расчеты Гута показали, что если крохотная область пространства, возможно не превышающая по размеру одной миллиардной миллиардной миллиардной доли метра в поперечнике, заполнена определенным типом энергетического поля (называемого инфляционным полем) и если энергия в этой области распределена равномерно, как пар, плотность которого одинакова во всем объеме «сауны», то отталкивающая гравитация будет настолько сильна, что эта точка пространства начнет расширяться взрывным образом, почти мгновенно достигнув размеров наблюдаемой Вселенной, если не намного больших. То есть отталкивающая гравитация послужит причиной взрыва. Причем по-настоящему Большого взрываЗ.

В начале 1980-х гг. советский физик Андрей Линде и американский дуэт Пол Стейнхардт и Андреас Альбрехт приняли эстафету у Гута и развили концепцию, разработав первые жизнеспособные варианты инфляционной космологии. За прошедшие с тех пор несколько десятков лет эти первые работы вдохновили ученых на создание тысяч страниц изощренных математических расчетов и огромного количества подробных компьютерных моделей, наполнивших журналы всего мира разъяснениями и предсказаниями, сделанными на основе предположения об инфляционном прошлом Вселенной. Многие из этих предсказаний сегодня уже подтверждены скрупулезно точными астрономическими измерениями. Я не стану перечислять здесь все наблюдательные данные инфляционной космологии, подробно расписанные во множестве статей и книг, но опишу один успешный проект, который многие физики считают наиболее убедительным.

Кроме того, речь пойдет о вещах, которые потребуются нам при рассмотрении следующего этапа развертывания космоса — формирования звезд и галактик.

По мере стремительного растягивания ранней Вселенной ее обжигающий жар распространялся все шире, постепенно снижая интенсивность и остывая4. Физики еще в 1940-е гг., задолго до появления инфляционной теории, поняли, что изначальный жар, уменьшенный пространственным расширением до мягкого свечения, должен и сегодня пронизывать Вселенную. Этот замечательный космологический пережиток, получивший название «реликтовое излучение» (или, на формальном языке физики, «космическое микроволновое фоновое излучение»), впервые зарегистрировали в 1960-е гг. исследователи Лаборатории Белла Арно Пензиас и Роберт Вильсон. Их новейшая телекоммуникационная антенна незапланированно приняла пронизывающее пространство рассеянное излучение с температурой всего на 2,7° выше абсолютного нуля. Если в 1960-е гг. вы уже жили на свете, вы, возможно, тоже принимали это излучение. Часть шума, который в те годы можно было видеть на экране телевизора после окончания вещания, объяснялась именно этим пережитком Большого взрыва.

Инфляционная космология уточняет предсказание послесвечения с учетом квантовой механики — законов, разработанных в первые десятилетия XX в. для описания физических процессов, которые разыгрываются в микромире. Поскольку мы говорим обо всей Вселенной — а она большая, — вы можете подумать, что квантовая физика, сосредоточенная на всем маленьком, здесь ни при чем. И если бы не инфляционная космология, то ваша интуиция была бы совершенно права. Но как растягивание эластичного полотна дает возможность рассмотреть особенности переплетения его нитей, так и растягивание пространства в результате инфляционного взрывного расширения вскрывает квантовые черты, надежно скрытые в микромире. В сущности, инфляционное расширение проникает в микромир и растягивает квантовые черты буквально на все небо.

Самый значительный квантовый эффект — тот самый, с которого начался необратимый разрыв с классической традицией, — квантовомеханический принцип неопределенности. Этот принцип, открытый в 1927 г. немецким физиком Вернером Гейзенбергом, продемонстрировал, что в мире существуют такие величины — к примеру, координаты и скорость частицы, — которые, по твердому уверению классического физика образца Исаака Ньютона, можно определить с абсолютной точностью, но которые, по представлениям квантового физика, обременены квантовой расплывчатостью, делающей их неопределенными. Это как если бы классическая традиция рассматривала мир сквозь прозрачные полированные очки, которые приводят все физические черты к идеально резкому фокусу, тогда как очки, примеряемые в квантовой перспективе, страдают неустранимой мутностью. В крупных масштабах мира нашего обыденного опыта квантовый туман слишком разрежен, чтобы влиять на наше зрение, так что классическая и квантовая перспективы почти неразличимы. Но чем мельче зондируемые объекты, тем более мутными становятся квантовые линзы и тем более расплывчатым — вид.

После такой метафоры вы, может быть, подумаете, будто достаточно всего лишь протереть квантовые линзы. Но принцип неопределенности установил, что, как бы тщательно мы ни работали и какое бы новейшее оборудование ни использовали, всегда будет оставаться минимальная затуманенность, которую невозможно прояснить. Мало того, само мое описание выдает необъективность человеческого восприятия. Только в сравнении с заведомо неверной классической картиной — картиной, которую мы, люди, открыли первой, потому что она, с одной стороны, проще, а с другой — необычайно точна в доступном человеческим чувствам масштабе, — квантовая реальность кажется туманной. На самом деле именно классическая теория дает приближенное и, следовательно, неточное изображение истинной квантовой реальности.

Я не знаю, почему реальность управляется квантовыми законами. Никто этого не знает. Столетие экспериментов подтвердило целую гору квантово-механических предсказаний, именно поэтому ученые принимают данную теорию. Но, несмотря на это, для большинства из нас квантовая механика остается совершенно чуждой, потому что ее фирменные черты проявляются на расстояниях настолько незначительных, что мы просто не сталкиваемся с ними в повседневной жизни. Если бы сталкивались, то здравый смысл и интуиция формировались бы непосредственно квантовыми процессами и квантовая физика была бы нашей второй натурой. Как сейчас вы нутром чувствуете принципы Ньютоновой физики — например, можете быстро поймать падающий стакан, мгновенно представив себе его траекторию по Ньютону, — так же вы могли бы нутром чувствовать квантовую физику. Но, поскольку такой квантовой интуиции у нас нет, мы полагаемся на эксперимент и математику, которые и формируют наши представления, отражая те аспекты реальности, которые мы не можем воспринимать непосредственно.