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.

---

– Может быть, дело в аппаратном сбое? – спросила я.

– Нет, – сказал Пейдж. – Дело не в этом. Эффект стабилен. Эту же проблему мы видели раньше в данных COBE, только там отношение сигнала к шуму было хуже. Обнаружить то же самое в данных WMAP – это нам как звонок, напоминающий, что мы имеем тут дело с чем-то, вероятно, по-настоящему новым.

Мне пришлось задуматься об инфляционной модели. Главная идея теории состояла в том, что пространство-время расширялось далеко за пределами нашего космического горизонта, расширялось до таких огромных размеров, что все монополи исчезли за ним, а кривизна пространства стала пренебрежимо мала.

– Если это правда и Вселенная действительно небольшая, – спросила я, – то как быть с инфляцией?

– Если не брать здесь в расчет Линде, то девяносто процентов корифеев по теории инфляции говорят, что теперь нам нужна другая модель. Идея конечной Вселенной – это нечто уж слишком странное, – сказал Пейдж. – Вероятно, нам придется признать, что весь механизм не работает. Я думаю, что это беспокоит нас всех.

Мне заинтересовало, почему Пейдж выделил космолога Андрея Линде как корифея, который не откажется от инфляционной модели даже при наличии в ней конечной Вселенной, и, увидев его во дворе, я направилась в его сторону. Я подумала, что, может, он знает, как спасти теорию инфляции в сложившихся обстоятельствах – у меня тогда и в мыслях не было, что Линде просто был одним из основоположников инфляционной теории.

Представившись, я спросила его, не придется ли физикам отказаться от инфляционной теории, если аномально низкая мощность квадрупольной компоненты окажется реальной проблемой. Очевидно, спрашивать Андрея Линде, сможет ли он отказаться от инфляционной модели, было все равно, что спрашивать папу римского, сможет ли он плюнуть на Библию.

– Никому нельзя отказываться от инфляции! – закричал он с сильным русским акцентом.

Я съежилась и судорожно огляделась, ожидая, что все вокруг оставят свои дела или даже в страхе ретируются, но никому, казалось, до нас и дела нет. Между тем Линде продолжал:

– Если у вас есть модель, которая объясняет, почему Вселенная изотропна и почему возникли эти флуктуации плотности, то вам не стоит отказываться от этой теории, пока у вас нет другой, которая может так же хорошо объяснить эти явления. Инфляция может подавить флуктуации на больших угловых масштабах; она просто требует тонкой настройки, и это некрасиво. Но Вселенная сама уродлива – стандартная модель уродлива, космологическая постоянная уродлива, темная материя, темная энергия, 90 % Вселенной, – что, черт возьми, это такое? Это все уродливо. Но это не означает, что нужно отказаться от теории инфляции.

Алан Гут, герой дня, выглядел странновато для ученого, которому все прочили Нобелевскую премию по физике в самом скором времени. Ему было за пятьдесят, но он продолжал светиться какой-то мультяшной молодостью, со своей копной каштановых волос и огромным желтым рюкзаком. Он был известен тем, что спал на каждом докладе, просыпаясь как раз вовремя, чтобы задать нетривиальный вопрос по существу обсуждавшейся проблемы – этот феномен я уже не раз наблюдала сама. Я спросила его, есть ли у него время поговорить со мной, и он милостиво согласился. В перерыве между докладами, без тени сна на лице, он вышел поговорить со мной на свежем воздухе.

– Теория инфляции говорит нам, что происходило в первые доли секунды после того, как Вселенная родилась, – сказала я. – Но что мы знаем о самом ее рождении?

– Никакой ясной теории, как возникла Вселенная, у нас нет, – сказал Гут. – Но существуют разного рода спекуляции, которые, я думаю, достаточно туманны, чтобы быть истиной[15]. В действительности мы даже плохо себе представляем, о чем мы говорим, то есть является ли рождение Вселенной квантовым событием.

Понимание такого события, как он объяснил, требует квантовой теории гравитации.

– Главное, для чего она нужна, – это получить полное квантовое описание геометрии пространства-времени. Затем мы хотели бы понять, что значит «ничего нет», и описать ничто как квантовое состояние. Состояние, которое описывает отсутствие пространства, отсутствие времени, отсутствие материи и энергии, отсутствие чего бы то ни было. Но оно все-таки будет возможным состоянием бытия. Это ключевой момент. Я предполагаю – без особых на то оснований, но все же предполагаю, что законы физики существовали и до рождения Вселенной. Если мы не предположим это, то мы не сможем продвинуться дальше в теории.

– Такое предположение означает, что рождение может быть познаваемо?

– Вот именно. Рождение Вселенной может быть познаваемо в рамках законов физики. Сейчас я не представляю, как понять, откуда взялись сами законы, но мы побеспокоимся об этом позже. А сейчас мы надеемся, что в системе, описываемой окончательными законами физики, будут существовать квантовые состояния, соответствующие полному отсутствию чего бы то ни было. Мы знаем, что квантовые системы могут спонтанно переходить из одного квантового состояния в другое, атомы то и дело совершают такие переходы в процессе распада. Квантовая система, находящаяся в одном состоянии, может сделать случайный переход в другое состояние, так что вы могли начать именно отсюда, от состояния полного отсутствия всего, и совершить переход к маленькой вселенной, затем механизм инфляции мог превратить эту маленькую вселенную в большую Вселенную. В общих чертах, я думаю, это правдоподобная картина образования Вселенной.

– И в этом смысле возможно получить что-то из ничего? – спросила я.

– Со времени моей учебы в университете наше понимание этого вопроса сильно изменилось, – сказал Гут. – Тогда все верили, что во Вселенной существует множество сохраняемых величин, которые имели большие количественные значения, и что единственный способ создания Вселенной – начать с чего-то большого. Но все эти законы сохранения более или менее исчезли. Сегодня мы думаем, что Вселенная имеет нулевые значения для всех сохраняемых величин.

В сохраняемых величинах выражаются неизменные свойства природы, иконизированные в непреложных законах – таких, как закон сохранения энергии, который говорит, что при любых обстоятельствах суммарная энергия всех задействованных во взаимодействии объектов до взаимодействия и после взаимодействия одна и та же. Энергия не может ни возникнуть из ничего, ни исчезнуть, она только перераспределяется. Законы сохранения обеспечивают плавную и непрерывную эволюцию Вселенной. Без них в вашей ванной могла вдруг появиться атомная бомба, или ваша собака могла вдруг исчезнуть. Физика была бы невозможна. Ее уравнения рассыпались бы прежде, чем вы достигали бы знака равенства.

Леонард Сасскинд, Алан Гут и Андрей Линде наслаждаются калифорнийским солнцем.

Фото: А. Гефтер.

И теперь Гут говорит, что все сохраняемые величины равны нулю. Это было довольно шокирующим. Казалось бы, законы физики обязаны сохранить нечто – по крайней мере нечто, начало существованию которого было положено 13,7 млрд лет назад. Но если все сохраняемые величины равны нулю, это означает, что законы физики должны вместо нечто сохранять ничто.

– И для энергии тоже? – спросила я.

– С энергией сложнее всего, потому что если сложить все массы во Вселенной и использовать E = mc2, может показаться, что Вселенная обладает огромной энергией. Но необходимо учесть, что гравитация дает отрицательный вклад в полную энергию. Это нетрудно доказать. Грубый способ понять это состоит в том, чтобы применить закон Кулона к гравитации, как мы применяем его в электростатике. В электростатике, если вы возьмете два положительных заряда, они будут отталкиваться друг от друга, поэтому для того чтобы получить большой электростатический заряд, необходимо собрать много элементарных зарядов вместе и совершить много работы. Это значит – тратить энергию. В случае гравитации все ровно наоборот. Масса имеет только один вид заряда – положительный. Такие заряды всегда притягиваются друг к другу. Вы можете образовать большую массу, сложив много масс вместе. Но необходимо затратить энергию, чтобы растащить их. Поэтому вклад гравитации в полную энергию Вселенной компенсирует положительную энергию всех масс.

– Еще одна важная сохраняющаяся величина – барионный заряд, – продолжал Гут, имея в виду полное число протонов и нейтронов, компонентов ядра любого атома. – Когда я учился в университете, все думали, что барионное число сохраняется и что в наблюдаемой Вселенной имеется очень большое число барионов, то есть большое число протонов и нейтронов, и, насколько мы можем судить, очень мало антипротонов или антинейтронов. Некоторые предполагали, что, может быть, существует большое количество антиматерии где-то там, где мы еще ее не обнаружили, но эта гипотеза не была особенно успешной. С развитием теории великого объединения в 1970-е годы физики поняли, что мы в действительности не знаем, сохраняется ли барионный заряд. Позже выяснилось, что даже в так называемой стандартной модели физики элементарных частиц, где, как все думали, барионный заряд точно сохраняется, это на самом деле оказалось не так из-за необычных квантовых эффектов. Сегодня число доказательств несохранения барионного заряда стало уже ошеломляющим.