Аманда Гефтер - На лужайке Эйнштейна. Что такое ничто, и где начинается всё

• Название: На лужайке Эйнштейна. Что такое ничто, и где начинается всё
• Автор: Аманда Гефтер
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2016
• ISBN: 978-5-17-087484-2

Вселенная выглядит так, словно ее объем конечен, и время ее существования также конечно. Значит, вопрос о ее возникновении не лишен смысла: может быть, ей предшествовало ничто? Ни пространства, ни времени, ни материи, ни существования? Можно ли себе представить ничто? Такой неожиданный вопрос задал Аманде Гефтер ее отец Уолтер Гефтер, когда ей было всего пятнадцать лет. Так получилось, что этот странный вопрос определил всю ее дальнейшую судьбу. Аманда стала погружаться в пучину современной физики и разбираться в хитросплетениях современной философии. Принято считать, что современная физика делается так далеко за пределами обыденного опыта, что только строгость и мощь используемого ею математического аппарата может обеспечить физику-теоретику подобие путеводной нити в его исследованиях, а философия может ему только помешать. Аманда Гефтер блестяще опровергает оба тезиса: журналистская непосредственность и философская проницательность помогают ей научиться видеть смысл формул, почти не обращая внимания на сами формулы, благодаря этому она добивается признания лучших физиков планеты и разговаривает с ними на равных.

---

Обычная материя – частицы, такие как протоны, электроны и кварки, – составляет жалкие 4 % от того, что нам нужно, чтобы набрать критическую плотность. Наша планета, звезды, мы сами – все, что мы видим и знаем, – дает пренебрежимо малый вклад в космическую систему вещей. Это не более чем скорбная, хоть и сияющая, вершина огромного темного айсберга.

Так что же еще находится во Вселенной? У физиков на этот счет есть несколько идей.

С одной стороны, они уже давно знали, что во Вселенной содержится гораздо больше материи, чем видит глаз. Это было обнаружено благодаря простому факту: галактики не рассыпаются на миллиарды звезд, покидающих свой галактический дом во всех направлениях. Некая сила притяжения удерживает их вместе, собрав в тугую спираль или эллиптические образования, несмотря на то что общая масса всех звезд в типичной галактике не обеспечивает достаточной гравитации, чтобы проделать этот фокус. Что-то еще должно прятаться тут, скрытое в темном пространстве между звездами или окружающее каждую галактику невидимым забором, не позволяя звездам вылетать из нее. Это что-то должно обеспечивать необходимую силу тяжести, но одновременно оставаться невидимым, это что-то крепкое и твердое, как и материя, но не безразличное к электромагнетизму. Что-то темное.

Астрономы подсчитали, сколько этой темной материи скрывается в космосе. Но когда вы сложите ее с видимой частью материи, то получите только 27 % общей массы и энергии, необходимых для того, чтобы распрямить Вселенную. Неизвестные 73 % по-прежнему отсутствуют.

Введем темную энергию. В конце 90-х годов две команды астрофизиков – одна под руководством Сола Перлмуттера, другая под руководством Брайана Шмидта и Адама Рисса – занимались поисками сверхновых звезд в надежде измерить скорость расширения Вселенной. Они знали, что все началось с инфляционного раздувания, но считали, что затем расширение Вселенной стало замедляться, сдерживаемое гравитацией, и так и продолжает замедляться до сих пор.

Перлмуттер, Шмидт и Рисс поняли, что история расширения Вселенной записана в свете от взорвавшихся когда-то звезд. Некоторые виды сверхновых звезд, так называемые стандартные свечи, светят всегда с одной и той же силой, даже если кажутся несколько потускневшими из-за большого расстояния до них. Именно то, насколько потускневшей мы видим стандартную свечу, позволяет определить, как далеко от нас она находится. По мере того как ее свет проходит через расширяющееся пространство, его волны удлиняются, смещаясь по спектру в красную сторону. Это красное смещение показывает, насколько Вселенная расширилась за время, которое потребовалось свету, чтобы добраться до нас. Регистрируя свет от многих стандартных свечей, расположенных на различных расстояниях, физики нанесли на карту историю расширения Вселенной. Оказалось, что расширение Вселенной не только не замедляется. Оно ускоряется.

Что же может ускорить расширение Вселенной вопреки замедляющим его силам гравитации? Какие-то таинственные темные силы должны пронизывать пустоту межзвездного пространства, прячась в глубинах вакуума, расталкивая его, как своего рода антигравитация, заставляя пространство-время расширяться все быстрее и быстрее. Сколько этой темной энергии содержится в космосе, если судить по наблюдениям за сверхновыми звездами? Ответ похож на чудо. Это именно то количество, которое требовалось, чтобы покрыть недостаток плотности массы-энергии в плоской Вселенной: 73 %.

Все данные находились в довольно впечатляющем согласии друг с другом. Что касается инфляционной модели, то WMAP подтвердил ее наиболее общие предсказания. Флуктуации температуры не проявляют характерного масштаба, а горячие и холодные пятна были распределены случайным образом. Было кое-что и сверх того: плоская Вселенная точно соответствовала предсказаниям инфляционной модели, потому что даже если пространство в ранней Вселенной было сильно искривлено, то со временем радиус кривизны увеличится до такой степени, что пространство будет казаться плоским, как кажется плоской земля под моими ногами. Физики были так довольны полученными WMAP подтверждениями инфляционной модели, что просто светились от счастья. Уже ходили слухи, что Гут может получить Нобелевскую премию.

Но за праздничным настроением угадывалось что-то и не совсем радостное. Не все детали головоломки, разгаданной WMAP, встали на свои места. Инфляционная модель предсказывала, что флуктуации температуры должны быть на любых масштабах, а в наблюдениях они резко останавливались, если размер области звездного неба превышал 60 градусов. Эта проблема известна как «аномально низкая мощность квадрупольной компоненты реликтового излучения», и при всяком ее упоминании лица физиков мрачнели. У меня было такое чувство, что она может быть слишком важна, чтобы ей можно было пренебречь.

Если и есть в физике сюрреалистическая суперзвезда вроде Майкла Джексона, то это Стивен Хокинг. Увидеть его живьем – нечто на грани фантастики! Даже другие физики, многие из которых знали его в течение многих лет как коллегу и близкого друга, казалось, тушевались в его присутствии.

Во время одной из лекций я сидела прямо за Хокингом. Я старалась изо всех сил сконцентрировать свое внимание на докладчике, но была буквально загипнотизирована словами, возникавшими на экране компьютера, вмонтированного в поручень его инвалидной коляски. У парализованного в результате тяжелого заболевания Хокинга подвижность осталась лишь в мимической мышце щеки, напротив которой был закреплен датчик, и с его помощью он мог управлять курсором на мониторе. Курсор постоянно прокручивается через каталог наиболее часто используемых слов, и движением мышцы щеки он мог выбрать одно слово из списка. Так, слово за словом, Хокинг медленно, с трудом, строил предложения, последние затем отправлялись на синтезатор речи, выговаривавший фразы голосом робота, которому не хватало не только человеческих чувств, но и, как сетовал Хокинг, британского акцента.

Видя его сидящим передо мной в инвалидной коляске, чем-то похожим на сдувшийся воздушный шар, я почувствовала еще больший трепет перед всем тем, что он смог сделать в своей жизни. И когда я смотрела на слова, появлявшиеся на его мониторе, прекрасно зная, что это не более чем случайным образом сгенерированные списки, я не могла отделаться от мысли, что если бы удалось увидеть их поближе, я смогла бы разгадать тайну Вселенной.

Когда на конференции был объявлен перерыв на обед, все направились к выходу. Обед не был предусмотрен организаторами конференции, и поэтому мы самостоятельно выбирали себе место, где можно было перекусить. Я заметила Лизу Рэндалл, физика из Гарвардского университета – она стояла одна и, скорее всего, ждала кого-то, поэтому я подошла к ней и представилась. В своем выступлении Рэндалл обсуждала происхождение таинственного инфлатонного поля, и я была рада услышать об этом, так как сама размышляла на ту же тему. Инфлатонное поле в состоянии ложного вакуума отвечало за начало инфляции и образование большой, равномерно заполненной звездами Вселенной, которую мы знаем и любим. Но что же породило сами инфлатоны? Какие-то другие таинственные поля? А что породило в свою очередь их? Это как башня из черепах? Я собиралась задать ей эти вопросы, но в этот момент к нам подошли еще несколько физиков со словами:

– Мы нашли ресторан. Пошли обедать!

Они, казалось, обращались и ко мне тоже – или, по крайней мере, они никак не дали мне понять, что не хотят видеть меня в их компании, и я восприняла это как приглашение.

Так я увязалась за ними и вскоре очутилась за длинным столом в простом итальянском ресторанчике в компании с сэром Мартином Рисом из Королевского астрономического общества Великобритании, Дэвидом Шпергелем, физиком из Принстона, сыгравшим ключевую роль в анализе данных WMAP, Рэндалл и несколькими первостатейными журналистами.

Мы с Лизой Рэндалл в Калифорнийском университете в Дейвисе.

Фото: Д. Фальк.

После того как каждый сделал свой заказ, зазвучало страшное слово на А – страшное, но неизбежное сегодня, учитывая его способность объяснить необъяснимое.

Например, темную энергию. Физики знали из наблюдений сверхновых, а теперь – и из данных WMAP, что плотность темной энергии чрезвычайно мала, всего 10–23 граммов на кубический метр пространства – едва слышимый шепот в темной пустоте, но шепот, который на больших расстояниях превращается в явственный вой.

Это происходит потому, что темная энергия, скорее всего, внутреннее свойство пустого пространства самого по себе, «космологическая константа», как окрестил ее Эйнштейн. Ее сила заключается в самом постоянстве – по мере того как пространство расширяется, все, содержащееся в нем, становится менее плотным, – кроме темной энергии, чья плотность остается постоянной. Больше пространства – больше темной энергии: своеобразная разновидность положительной обратной связи.