Макс Тегмарк - Наша математическая вселенная. В поисках фундаментальной природы реальности

• Название: Наша математическая вселенная. В поисках фундаментальной природы реальности
• Автор: Макс Тегмарк
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2017
• ISBN: 978-5-17-085475-2

Галилео Галилей заметил, что Вселенная – это книга, написанная на языке математики. Макс Тегмарк полагает, что наш физический мир в некотором смысле и есть математика. Известный космолог, профессор Массачусетского технологического института приглашает читателей присоединиться к поискам фундаментальной природы реальности и ведет за собой через бесконечное пространство и время – от микрокосма субатомных частиц к макрокосму Вселенной.

---

В действительности инфляция обычно продолжается гораздо дольше, гарантируя, что пространство до наших дней останется практически идеально плоским. Иными словами, теория инфляции еще в 80-х годах дала проверяемое предсказание: наше пространство должно быть плоским. И, как показано в двух предыдущих главах, сегодня это предсказание проверено с точностью лучше 1 %. Теория инфляции блестяще сдала экзамен.

Кто платит за бесплатный ланч?

Инфляция похожа на блестящий трюк. Интуиция подсказывает мне, что это просто не может соответствовать законам физики, однако при внимательном рассмотрении оказывается, что она соответствует.

Прежде всего: как может 1 г инфлирующей материи при расширении превратиться в 2 г? Ведь не может же масса возникнуть из ничего? Интересно, что Эйнштейн оставил в своей специальной теории относительности лазейку, согласно которой энергия E и масса m связаны знаменитой формулой E = mc2. Здесь c = 299 792 458 м/с – скорость света, и поскольку это большое число, крошечной массе соответствует огромная энергия (при атомном взрыве в Хиросиме в энергию превратилось менее 1 г массы). Это означает, что увеличить массу чего-либо можно путем добавления энергии. Например, растягивая резиновую ленту, можно сделать ее немного тяжелее: для растяжения нужно приложить энергию, которая переходит в резину и увеличивает ее массу.

Резиновая лента обладает отрицательным давлением, поскольку нужно совершить работу, чтобы ее растянуть. Для субстанции с положительным давлением, такой как воздух, есть другая лазейка: чтобы ее сжать, надо совершить работу. Короче говоря, инфлирующая субстанция должна обладать отрицательным давлением, и оно должно быть настолько велико, чтобы энергии, требующейся для ее двукратного растяжения по объему, точно хватало для удвоения ее массы.

Еще одно загадочное свойство инфляции состоит в том, что она вызывает ускоренное расширение. В школе меня учили, что гравитация – это притягивающая сила, и если имеется сгусток расширяющегося вещества, разве не должна гравитация, напротив, замедлять его расширение, пытаясь, в конечном счете, обратить движение вспять и снова стянуть все вещество вместе? И вновь Эйнштейн приходит на помощь – на этот раз с лазейкой в общей теории относительности, которая утверждает: гравитацию вызывает не только масса, но и давление. Поскольку масса не может быть отрицательной, гравитация массы всегда притягивающая. Положительное давление тоже вызывает притягивающую гравитацию, но это означает, что отрицательное давление должно вызывать отталкивающую! Инфлирующая субстанция обладает огромным отрицательным давлением. Алан Гут подсчитал, что отталкивающее действие ее гравитации, вызванное ее отрицательным давлением, в 3 раза сильнее, чем притягивающая сила гравитации, связанная с ее массой. Так что притяжение инфлирующей субстанции отступает.

Однако, по утверждению нобелевского лауреата по экономике Милтона Фридмана, бесплатного ланча не бывает. Так кто же платит по энергетическим счетам за галактическое великолепие, которое мы наблюдаем в нашей Вселенной? Это делает гравитация, поскольку гравитационные силы впрыскивают энергию в инфлирующую материю, растягивая ее. Но если полная энергия всего не может меняться, а массивные объекты несут в себе положительную энергию согласно формуле Эйнштейна E = mc2, это значит, что с гравитацией должно быть связано соответствующее количество отрицательной энергии. Так и есть: гравитационное поле, ответственное за все гравитационные силы, обладает отрицательной энергией. И оно приобретает больше отрицательной энергии всякий раз, когда гравитация что-либо ускоряет. Рассмотрим далекий астероид. Если он движется медленно, то обладает очень небольшой кинетической энергией. Если он вдали от земного притяжения, он также обладает очень небольшой гравитационной энергией (потенциальной энергией). Если он начнет падать на Землю, то станет приобретать все большую скорость, а с ней и кинетическую энергию, возможно, достаточную для образования при ударе огромного кратера. Поскольку гравитационное поле первоначально почти не обладало энергией, а затем высвободило всю эту положительную энергию, то само оно осталось с отрицательной.

Тут мы затронули еще один вопрос из списка в начале главы 2: окружающая нас материя образуется почти из ничего в ходе инфляции – не нарушает ли это закон сохранения энергии? Мы видим, что ответ на него отрицательный: вся необходимая энергия заимствуется у гравитационного поля.

Должен признаться, что хотя этот процесс не нарушает законов физики, он заставляет меня нервничать. Я просто не могу избавиться от неприятного чувства, что живу в некоей «пирамиде» космического масштаба. Если бы вы посетили Берни Мэдоффа до его ареста в 2008 году (за присвоение 65 млрд долларов), вы подумали бы, что он действительно владеет всеми роскошными вещами, которые его окружали. Однако оказалось, что он приобретал их на присвоенные деньги. Много лет он раз за разом удваивал масштаб своих операций, постоянно увеличивая объем заимствований у наивных вкладчиков. Инфляционная Вселенная делает точно то же самое: удваивается в размерах и раз за разом покрывает свои энергетические долги, заимствуя у гравитационного поля еще больше энергии. По аналогии с Мэдоффом инфляционная Вселенная эксплуатирует внутреннюю неустойчивость системы для создания видимого блеска из ничего. Я лишь надеюсь, что наш мир окажется более устойчивым, чем мир Мэдоффа…

Благодатный дар

Инфляция на бис

Как и у многих успешных научных теорий, у инфляции был непростой старт. Ее первое твердое предсказание, что пространство плоское, казалось несовместимым с множеством наблюдательных данных. Теория гравитации Эйнштейна гласит, что пространство может быть плоским, лишь если плотность материи равна определенному критическому значению. Символом Ω обозначают, во сколько раз плотность Вселенной выше критической плотности, и инфляция предсказывает, что Ω = 1. Однако когда я был аспирантом, оценки плотности по обзорам галактик еще оставляли желать лучшего и из них следовало меньшее значение Ω ≈ 0,25. Это все сильнее смущало Алана Гута, который на каждой конференции настаивал, что Ω = 1, несмотря на то, что говорили коллеги-экспериментаторы. Гут продолжал стоять на своем, и справедливо. Открытие темной энергии показало, что мы учитывали лишь около четверти плотности, а когда учли и темную энергию, то получили значение Ω = 1 с погрешностью менее 1 % (табл. 4.1).

Открытие темной энергии резко повысило доверие к теории инфляции и по другой причине: мы уже не можем отрицать возможность существования нерассеиваемой субстанции как бессмысленной или противоречащей физике, поскольку темная энергия – именно такая субстанция! Эпоха инфляции, породившая наш Большой взрыв, закончилась 14 млрд лет назад, однако началась новая эпоха инфляции – под влиянием темной энергии. Теперь она протекает, как в рапиде: Вселенная удваивается в размерах не за долю секунды, а за 8 млрд лет. Так что нынешние содержательные дискуссии касаются не вопроса, была ли инфляция, а лишь того, имела ли она место один раз или дважды.

«Посев» первичных флуктуаций

Отличительный признак успешной научной теории: она дает больше, чем в нее закладывается. Алан Гут показал, что за счет одного-единственного предположения (о крошечной капле труднорассеиваемой субстанции) можно решить сразу три космологических парадокса: проблему взрыва, проблему горизонта и проблему плоской геометрии. Выше мы видели, как теория инфляция дала сверх заложенного в нее: она предсказала Ω = 1, что точно подтвердилось два десятилетия спустя. Но это не все.

Предыдущую главу мы закончили вопросом, каковы истоки галактик и крупномасштабной структуры Вселенной. К всеобщему удивлению, теория инфляции ответила и на этот вопрос. И какой это был ответ! Впервые идею предложили два русских физика, Геннадий Чибисов и Вячеслав Муханов. Когда я впервые услышал о ней, я счел ее абсурдной. Сейчас я считаю ее главным кандидатом на роль самого радикального и красивого синтеза идей в истории науки.

Если кратко, то первичные космические флуктуации появились благодаря квантовой механике – теории микромира (гл. 7, 8). Но еще в колледже я узнал, что квантовые эффекты существенны лишь для очень малых объектов вроде атомов. Так какое отношение они могут иметь к самым крупным объектам из тех, которые мы изучаем, – к галактикам? Один из самых красивых аспектов теории инфляции состоит в том, что она связывает самые малые и самые большие масштабы: на ранних стадиях инфляции область пространства, которая ныне содержит Млечный Путь, была гораздо меньше атома, так что квантовые эффекты могли иметь существенное значение. И это было так: принцип неопределенности Гейзенберга в квантовой механике (гл. 7) не позволяет никакой субстанции, в том числе инфлирующей материи, быть совершенно однородной. Если вы попытаетесь сделать ее однородной, квантовые эффекты вынудят ее волноваться, и однородность будет нарушена. Когда инфляция растягивает субатомную область до размеров всей наблюдаемой Вселенной, флуктуации плотности, которые впечатала в нее квантовая механика, также растягиваются до размеров галактик и более. Обо всем остальном позаботилась гравитационная неустойчивость, усилившая флуктуации с ничтожного уровня 0,002 %, обеспеченного квантовыми флуктуациями, до величественных галактик, их скоплений и сверхскоплений, украшающих теперь ночное небо.