Англичанин Стивен Хокинг внес существенный вклад в современную космологию, в теорию рождения Вселенной. Фото Reuters
С обнаружением давно предсказанной элементарной частицы – бозона Хиггса физики завершили создание так называемой Стандартной модели (12 элементарных строительных блоков материи: 6 кварков, 6 лептонов и 5 бозонов). Все силы, которые действует на Земле, известны. Но в глубоком космосе существуют темная материя и темная энергия, которые могут полностью перевернуть наши представления о физике. У физиков остается один выход: держаться за известное как можно дольше, а затем прыгнуть в неизведанное.
Оборванная цепь причинности
Вселенная состоит из физической материи – Земля, звезды, галактики, излучение, темная материя, темная энергия, гравитация, которая определяет структуру пространства и времени. Кроме того, Вселенная содержит биологическую жизнь и присущее ей сознание (по крайней мере в Млечном Пути, на планете Земля). Сводятся ли субъективные состояния сознания к объективным физическим процессам? Наука пока не определилась с ответом. Вселенная как целое может и не иметь объяснения…
Пытаясь ответить на вопрос, почему существует Вселенная и объемлющий ее Мультиверс, классическая наука сталкивается с логическим парадоксом: если космос заключает в себе все, что физически существует, тогда научное объяснение должно включать и физическую причину, однако любая физическая причина по определению является частью той Вселенной, которую требуется изучить. Таким образом, любое научное объяснение появления или существования Вселенной в целом замыкается в порочный круг.
В прежние времена акт возникновения Вселенной либо принимали за самоочевидный, либо объявляли неразрешимым парадоксом. Подходы и методы четвертой научной парадигмы (физика эмерджентности, от emergent – «возникающий, неожиданно появляющийся») преодолевают этот казавшийся веками неразрешимым парадокс оборванной цепи причинности. Какие же концептуальные вопросы будут входить в программу исследования новой научной парадигмы – за пределами Стандартной модели частиц?
В физике произошло несколько научных революций, не один раз менялась и господствующая парадигма – сквозная научная идеология. Механическая картина мира была сформирована Галилеем и Ньютоном. В начале XIX века Сади Карно дополнил ее термодинамическим аспектом, в конце XIX века Максвелл, Эрстед и Фарадей указали на волновую, или электромагнитную, природу происходящих взаимодействий.
Если в теории Ньютона время и пространство жестко зафиксированы, то Альберт Эйнштейн поставил такую картину мира под сомнение. В итоге научной революции первой половины XX века время и пространство стали пониматься как проявление единого гибкого четырехмерного пространственно-временного континуума. Конфигурация этого континуума влияет на характер гравитационных взаимодействий.
Тогда же случился еще один парадигмальный сдвиг, связанный с иным взглядом на природу вещества и четырех фундаментальных сил природы. Появилась квантовая механика, в которой частицы больше не считаются твердыми, катящимися по неподвижному пространству шариками, а представляются размытыми по ткани времени и пространства волнами, проявлениями силовых полей.
Сегодня мы на пороге новой физической парадигмы, которая будет развертываться в XXI веке. Эта четвертая по счету научная парадигма ставит вопрос о том, как Вселенная сумела появиться и развиться в целом, как материя вообще способна появиться из вакуума, как внутри реальности проявляются не существовавшие прежде частицы вещества, а отрицательная энергия гравитации создает огромные скопления масс и энергий.
Темная история с темной энергией
Если все прежние научные подходы были позитивистскими, то есть изучали «реально» существующую, «положительную» материю, то физика за пределами Стандартной модели сосредоточится на исследовании природы темной материи и энергии, поля Хиггса и космического вакуума, или, в терминах философии, Ничто (и даже еще меньше, чем Ничто). Существует несколько стратегий поиска более глубокой, всеобъемлющей теории, чем Стандартная модель.
Важное открытие, сделанное нобелевским лауреатом Солом Перлмутером совсем недавно, в 1998 году, свидетельствует о том, что расширение Вселенной происходит ускоренно. Окружающий космос не только не замедляет своего расширения, но и двигается (удаляется от нас) все быстрее и быстрее. В процессе расширения Вселенной появляется дополнительное пустое пространство.
Физики знают, что вакуум пуст лишь для обывателя. Квантовый вакуум (его еще называют «ложным» вакуумом) имеет структуру, подчиняющуюся сложным и глубоким физическим законам. Перлмутер предположил, что в каждом кубическом сантиметре пространства присутствует определенная энергия в дополнение к энергии частиц, бозонов. Это – минимальная порция энергии, присущая полотну самого пространства-времени: ее невозможно почувствовать, невозможно увидеть, ее нельзя использовать для совершения работы… И все же она существует.
К тому же энергия эта в отличие от гравитации не притягивает, а расталкивает объекты Вселенной, то есть является как бы энергией отрицательной величины. В этом и заключается необычность открытия Сола Перлмутера. Такую энергию физики назвали темной. Вопрос, из каких частиц она состоит и состоит ли вообще из чего-то более простого, в науке остается нерешенным.
Темная энергия появляется из первоначально пустого пространства, будто это вовсе не энергия, а наоборот, ее недостаток – энергия «отрицательной» величины. Используя это определение, американский физик Алекс Виленкин сумел произвести интересные вычисления. Он показал, что из начального состояния пустоты может спонтанно появиться крохотный кусочек наполненного энергией вакуума.
Под действием отрицательного давления любой кусочек «несуществующего» вакуума испытывает безудержное расширение, влияя тем самым на «реальную», «положительную» материю. Через пару микросекунд он достигнет космических размеров, испустив поток света и материи – Большой взрыв! Насколько крохотный кусочек? Возможно, размером всего лишь в одну стотриллионную сантиметра. Теория отрицательной энергии вакуума, или темной энергии, это первый шаг, который позволит создать физику четвертой, объединяющей парадигмы – парадигмы эмерджентной физики.
Еще одно парадоксальное, противоречащее логике и здравому смыслу открытие, сделанное учеными, – виртуальные частицы. Время их жизни ничтожно, тем не менее существование виртуальных частиц доказано в экспериментах, один из которых – эффект Казимира.
Две металлические пластины в вакууме в отсутствие электромагнитных полей и частиц притягиваются друг к другу силой, которую создают колебания самого вакуума. Пары частица–античастица считаются виртуальными, поскольку их нельзя измерить непосредственно детектором частиц. Их влияние можно наблюдать лишь косвенно. Пластины действуют как зеркала для виртуальных частиц и античастиц.
В результате количество виртуальных частиц между пластинами немного отличается от тех, которые находятся вне их, где флуктуации вакуума имеют большую длину волны. Это значит, что пустое пространство даже в отсутствие материи постоянно рождает энергетические всплески, которые к тому же создают энергию отрицательной плотности – темную энергию.
Эта энергия как бы берется взаймы. В пустом пространстве – вакууме – перманентно рождаются пары частица и античастица, при аннигиляции которых выделяется избыток отрицательной энергии. Пространство в вакуумном состоянии оказывается весьма оживленным местом.
Пространство в вакуумном состоянии
оказывается весьма оживленным местом.
Иллюстрация Pixabay
Отрицательная энергия вакуума (темная энергия) рождает квантовые флюктуации, которые разносятся на большие масштабы и застывают, превращаясь в вещество и излучение. Такая экзотическая материя с отрицательной плотностью может быть использована в будущем для стабилизации кротовых нор – микроскопических порталов в иные временные измерения.
Но как насчет перехода от мира материи обратно к пустоте? Скорее всего это физически невозможно. С точки зрения физики пространство максимально пусто тогда, когда оно лишено энергии. Допустим, что мы попытались удалить всю энергию из некоей области пространства. В какой-то момент в процессе «откачки» энергии произойдет событие, противоречащее здравому смыслу: спонтанно возникнет нечто, называемое физиками «скалярное поле Хиггса» (бозон Хиггса, та самая «частица Бога», которая наделяет всю остальную материю массой, – его проявление). И от этого поля Хиггса избавиться никак нельзя, потому что его вклад в полную энергию той области пространства, которую мы стараемся опустошить, отрицателен: поле Хиггса – это Нечто, содержащее меньше энергии, чем Ничто. Существование поля Хиггса сопровождается игрой «виртуальных частиц», которые непрестанно возникают и исчезают.
Откуда масса?
Хорошо изученная атомная материя, из которой состоят звезды, галактики и мы сами, составляет примерно 1/6 массы загадочной темной материи. Обычная материя, состоящая из частиц, предусмотренных Стандартной моделью, составляет всего 5% всей массы-энергии Вселенной.
В XXI веке теорию Большого взрыва дополнила теория инфляции. Согласно модели Большого взрыва, масса вещества в момент сингулярности, когда Вселенная родилась, должна была превосходить 1083 кг – практически бесконечная масса. Откуда взялось это количество вещества, если до момента возникновения Вселенной ничего не было? Мы натыкаемся на препятствие, непреодолимое в рамках прежней физики.
В рамках инфляционной теории можно объяснить, как можно эту колоссальную массу и энергию получить из менее чем одного миллиграмма вещества. Физик Андрей Линде утверждает, что достаточно всего стотысячной части грамма материи (стомиллионная доля килограмма), чтобы дать начало такой Вселенной, как наша. Этого хватит, чтобы создать маленький комок ложного вакуума, который взорвется в миллиарды миллиардов звезд, наблюдаемых сейчас. Вся материя в теории Линде возникает из отрицательной энергии гравитационного поля, или темной энергии самого пустого пространства. А это поле разбрасывает ее дальше по пустому пространству, будто краску из баллончика.
Нерешенной в современной физике остается и проблема гравитации – притяжения обладающих массой частиц. Чтобы понять механизм самопроизвольного зарождения космоса, нам нужна квантовая теория гравитации, которая объединит теорию относительности и квантовую механику. Создать ее можно будет только тогда, когда ученые поймут, что собой представляет тяготение. Поиск более эффективной теории, чем теория Эйнштейна, – квантовой теории гравитации – одно из величайших предприятий, за которые когда-либо бралась физика.
Возникают ли положительная энергия вещества и отрицательная энергия гравитации одновременно? Воспользуемся аналогией, которую приводит Стивен Хокинг в своей книге «Краткие ответы на большие вопросы». Представьте ровное непаханое поле. Если мы хотим на нем построить гору или хотя бы холм, придется черпать из той же земли, которая есть на поле. Чем выше гора, тем глубже котлован, вырытый рядом с рукотворным сооружением. Так происходит и во Вселенной: положительная энергия, запертая в материи, противостоит отрицательной энергии самого пространства-времени. Если Вселенная плоская или почти плоская, как это выглядит в самые точные телескопы наподобие COBE, в сумме оба вида энергии – положительная энергия вещества и отрицательная энергия гравитации – дают ноль, и законы сохранения не нарушаются.
В целом, так как Вселенная плоская, она имеет равное количество энергий – положительной и отрицательной. Максимально искривленное и сжатое гравитацией протосостояние Вселенной в момент инфляционного расширения увеличилось в диаметре с нескольких сантиметров до размера галактики Млечный Путь. Исходя из наблюдений за реликтовым излучением, в настоящий момент космической истории мы наблюдаем плоскую Вселенную, в которой если и есть кривизна, то совсем незначительная – она составляет не больше одного градуса. «Положительная» материя в такой Вселенной полностью уравновешивается собственной противоположностью – тяготением.
Сверим часы
Большинство физических теорий содержат информацию о собственной гибели. Электромагнетизм говорит об ультрафиолетовой катастрофе. Общая теория относительности – о существовании сингулярностей. Несмотря на то что квантовая теория точно предсказывает результаты экспериментов, она предполагает существование неких вселенских часов, отмеряющих время. Однако если вблизи сингулярностей и черных дыр время начинает идти по-другому, то и квантовая теория может оказаться несостоятельной.
Итогом крупномасштабной научной революции может стать понимание того, что для разных событий во Вселенной нет единого блока настоящего момента. Традиционная же теория времени, которая применяется и в квантовой механике, утверждает, что континуум представляет собой четырехмерный пространственно-временной блок, растущий во временном измерении.
В новой физической парадигме мы можем и не иметь дела с единым моментом настоящего: все, что у нас есть, – это мириады отдельных условных настоящих моментов в миниатюре. Единое плато настоящего – умозрительное творение человеческого ума. На нем и происходит весь тот обмен опытом, идеями и культурой, которыми богат человеческий род.
Раз для Вселенной в целом нет единого мига настоящего, значит, он сосуществует одновременно с прошлым и будущим (здесь мы наталкиваемся на речевой пробел, связанный с невозможностью выразить новое знание привычными языковыми средствами). Но в каком явлении реальности мы наблюдаем слияние всех трех временных пластов в единый феномен? Ответ кроется в одном из самых загадочных объектах мироздания – черных дырах.
Черная дыра отделена от остального пространства горизонтом событий – поверхностью, на которой вторая космическая скорость равна скорости света. Поскольку в природе ничто не может двигаться с большей скоростью, чем скорость света, никакой носитель информации не способен выйти из-под горизонта событий. Нобелевский лауреат из Индии Субраманьян Чандрасекар отмечал: «Черные дыры – это самые совершенные макроскопические объекты во Вселенной, ведь они состоят только из времени и пространства. В черных дырах Бог разрешает делить на ноль».
Так как черная дыра может только поглощать материю и никогда не отдавать ее обратно, она является местом во времени, где сходятся все события, которые ей предшествовали в космической истории. Новая научная парадигма постепенно вытеснит (или дополнит) общую теорию относительности Эйнштейна, которая не работает в сингулярности, то есть в сердце черных дыр и в самом начале времени, в момент Большого взрыва.
Что может сказать нам окончательная теория, или «теория всего», как ее иногда называют, о происхождении Вселенной? Скорее всего такая теория сможет заглянуть глубже, чем даже квантовая космология Хокинга, Линде, Виленкина и др. Например, теория струн позволяет представить себе реальность до Большого взрыва, когда сами понятия пространства и времени не имели смысла. Но сможет ли она дать убедительное объяснение самой себя? Если окончательная теория оставит без объяснений начальные, или граничные, условия, то, даже если она полностью объяснит процесс развития Вселенной, истоки возникновения реальности останутся покрытыми тайной. Кто или что установили эти начальные условия?
Окончательная теория, которая будет разработана в рамках четвертой научной парадигмы, обещает шагнуть гораздо дальше современной физики в прояснении вопроса о происхождении Вселенной. Например, она может показать, как пространство и время появились из более фундаментальных сущностей, о которых мы пока и понятия не имеем.
Алекс Виленкин говорит о «квантовом туннельном эффекте», с помощью которого, как он считает, Вселенная должна была возникнуть из полной пустоты. Процесс туннелирования в квантовой механике управляется теми же фундаментальными законами, которые описывают последующую эволюцию космоса. Следовательно, полагает Виленкин, законы должны существовать еще до того, как возникнет сама Вселенная.
Но если фундаментальные законы физики обладают собственной реальностью, то это приводит к новой загадке: что придает этим законам их силу, что оживляет их? Как они заставляют события подчиняться?
Возможно, законы, описывающие закономерности внутри мира, несовместимы с несуществованием этого мира. Например, если принцип неопределенности Гейзенберга гласит, что значение поля и скорости его изменения не могут быть одновременно равны нулю, то мир в целом не способен состоять только лишь из неизменной пустоты.
Мы можем свидетельствовать рождение четвертой крупной физической парадигмы – парадигмы эмерджентной физики. Это событие – объединяющий шаг, потому что новая теория закроет брешь между квантовым миром и физикой теории относительности.
Ростов-на-Дону
Источник: