Вселенная. Емкие ответы на непостижимые вопросы

Мощность вихрей проиллюстрирована на следующем слайде, где показаны результаты компьютерной симуляции вращающейся черной дыры, разрывающей нейтронную звезду-компаньона. Звезда в 1,5 раза тяжелее Солнца, ее диаметр – 25 километров. Черная дыра в 4,5 раза тяжелее Солнца и вращается вокруг оси, отмеченной линией. Звезда и черная дыра первоначально вращаются друг вокруг друга в горизонтальной плоскости (рис. 7а). По мере обращения по орбите они теряют энергию (которая переходит в гравитационные волны) и, следовательно, движутся по спирали внутрь. Когда они приближаются друг к другу, гравитация черной дыры начинает разрывать звезду на части (b), и затем вихри выбрасывают разрушающуюся звезду вверх, в плоскость экватора дыры (перпендикулярно линии (c и d)). Представьте себе мощность, необходимую, чтобы выбросить 1,5 солнечной массы вещества, обладающего плотностью атомного ядра, вверх с горизонтальной плоскости в экваториальную плоскость дыры! Впечатляюще.

Рис. 7. Вращающаяся черная дыра разрывает нейтронную звезду, состоящую из ядерного вещества.

Согласно симуляции, которую в Корнеллском университете создал Мэтт Дайез, около 70 % вещества разрушенной звезды сразу поглощается черной дырой. Оставшиеся 30 % попадают в диск очень горячего газа, который испускает короткий всплеск нейтрино и гамма-излучения, а затем – яркий свет.

Скоординированные наблюдения за источниками гравитационных волн, нейтрино, гамма-излучения и света позволят многое узнать о черной дыре и ее вихрях, нейтронной звезде и ее ядерном веществе и о том, как все эти элементы ведут себя при масштабном столкновении. Затем (очень важная стадия) эти наблюдения необходимо будет сравнить с нашими компьютерными моделями. Мы называем такой захватывающий подход «многоканальной астрономией» и планируем работать в этом ключе с 2017 года.

Как можно обнаружить гравитационные волны и наладить наблюдение за ними? В каждой волне есть скручивающие пространство вихри, о которых мы говорили. Но по мере путешествия в межгалактическом пространстве вихри становятся настолько слабыми, что мы не можем засечь их с помощью доступных технологий.

К счастью, эти волны также растягивают и сжимают само пространство. Это растяжение и сжатие также довольно небольшое, но оно идеально подходит для обнаружения и мониторинга методом лазерной интерферометрии. В соответствии с этим, в 1983 году мы с коллегами Райнером Вайссом (из Массачусетского технологического института) и Роном Древером (из Калифорнийского технологического института) начали проект LIGO – лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории.

Концепция детекторов гравитационных волн LIGO схематически изображена на рисунке 8. Четыре зеркала (каждое весом в 40 кг) закреплены на подвесных опорах. Два зеркала ориентированы в одну сторону (скажем, по направлению восток – запад), а другие два ориентированы в перпендикулярном направлении (скажем, север – юг), и зеркала каждого рукава разнесены на 4 километра (которые обозначены на рисунке буквой L). Когда приходит гравитационная волна, она одновременно раздвигает зеркала восток – запад и сдвигает зеркала север – юг на одинаковое ничтожное расстояние: примерно 10-17 см. По мере того как волна переходит от своего гребня к впадине, направление сжатия и растяжения пространства меняется, а затем меняется опять и так далее. Временные промежутки следуют некоторому шаблону (форме волны), который несет в себе закодированную информацию об источнике волны.

Рис. 8. Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория

В обсерватории LIGO эти движения отслеживаются с помощью лазерного луча – лазерной метрологии сверхвысокой точности, а изображение источника гравитационной волны извлекается из наблюдаемой формы волны путем сравнения с компьютерными моделями.

Вайсс, которому принадлежит идея этого проекта, – гениальный ученый. Несколько лет я был настроен чрезвычайно скептически, я не думал, что это когда-либо сработает. Я был не прав. Но чтобы понять мой скептицизм, подумайте о том, насколько незначительны движения этих зеркал. Толщина человеческого волоса примерно 10-2 см. Разделите эту цифру на 100 и вы получите длину волны света, используемую в LIGO – один микрон. Разделите это на 10 000 и получите диаметр атома – самую малую величину, когда-либо запечатленную микроскопом. Разделите это еще на 100 000 и получите диаметр ядра атома. А теперь разделите это еще на 1000 и получите движения, которые засекает LIGO: 10–17 сантиметра!

Расстояние настолько мало, что на этом уровне движения зеркал LIGO регулируются законами не классической, а скорее квантовой физики. Например, принцип неопределенности Гейзенберга гласит, что сам акт столь точного измерения местоположения зеркала весом 40 килограммов неизбежно нарушит его скорость на величину, различимую для LIGO. Мы никогда еще не видели, чтобы объект размером с человека вел себя квантово-механически. В LIGO мы собираемся сделать это в течение следующих нескольких лет, и для этого мы используем принципы нового раздела науки – квантовой теории информации. Я и мои студенты провели большую часть 1980-х годов, теоретически исследуя необходимую технологию, а в начале 2000-х, наконец, у нас появились первые практические разработки.

Проект LIGO сейчас приближается к зениту. В 1990-х годах мои коллеги-экспериментаторы под руководством Барри Бариша (из Калтеха) сконструировали оборудование для размещения наших детекторов гравитационных волн, а с 2000 по 2005 год они установили детекторы первого поколения и тщательно калибровали их, пока не достигли нужной чувствительности. С 2005 по 2010 год мы проводили первоначальный поиск космических гравитационных волн не только от сталкивающихся черных дыр, но и от других источников. Мы ничего не нашли, но это было ожидаемо.

Когда мы с коллегами представляли проект LIGO, мы предупреждали, что детекторы первого поколения могут быть недостаточно хороши, чтобы засечь волны. Тем не менее, их необходимо было сконструировать, получить опыт работы с ними для создания детекторов второго поколения (Advanced LIGO), которые намного сложнее технически и будут обладать куда большей чувствительностью – достаточной, чтобы увидеть богатое разнообразие гравитационных волн. Наша группа экспериментаторов начала установку Advanced LIGO в октябре 2010 года, и дело идет очень неплохо. К 2017 году, а возможно, и раньше, эти детекторы должны зарегистрировать много волн. Вкупе с аналогичными детекторами в Европе (проект Virgo французов, итальянцев и голландцев, проект Geo Project немцев и британцев) и другими астрономическими инструментами LIGO знаменует вступление в новую эру мультиканальной астрономии.

LIGO и другие подобные обсерватории смогут наблюдать черные дыры – при условии, что эти дыры легче тысячи солнц. Боле тяжелые черные дыры – сверхмассивные дыры в центрах галактик – создают гравитационные волны с куда большей диной волны (порядка расстояния между Землей и Луной или Землей и Солнцем) и гораздо более низкой частотой (один цикл за минуты, или часы, или большие промежутки времени). Такие волны мы планируем обнаруживать и наблюдать с помощью LIGO-подобного детектора в космосе: три независимых космических аппарата, оснащенных лазерными лучами. Европейское космическое агентство (ЕКА) планирует космическую миссию такого рода – она называется LISA (лазерная интерферометрическая космическая антенна) – первый пробный полет планируется в 2014 году. Американское космическое агентство NASA раньше было партнером ЕКА в LISA, но было вынуждено отказаться от участия в этой и в ряде других миссий из-за огромных перерасходов в проекте космического телескопа имени Джеймса Уэбба.

Для еще более тяжелых черных дыр, которые весят миллиарды, а не миллионы Солнц, необходим детектор третьего типа. Их волны имеют длину, намного превышающую по размерам Солнечную систему, и долгий цикл – от месяцев до лет. Такие огромные гравитационные волны можно искать с помощью LIGO-подобных детекторов, в которых одно из «зеркал» (на самом деле, просто движущаяся масса) – это наша Земля, а второе – нейтронная звезда – пульсар в далеком межзвездном пространстве. Радиотелескопы на Земле измеряют радиоимпульсы от десятков таких пульсаров, ища крошечные нарушения во времени прихода импульсов, вызванные гравитационными волнами. Эта международная коллаборация по исследованию радиопульсаров (International Pulsar Timing Array), вероятно, зарегистрирует первые гравитационные волны в течение следующих десяти лет, или пяти, если нам повезет[10].

Черные дыры состоят из искривленного пространства и времени – и это искривление демонстрирует множество интересных качеств и эффектов. Я рассказал вам лишь про один из них: вихри скручивающегося пространства, сталкивающиеся и генерирующие кольца или спирали гравитационных волн, летящих наружу из черных дыр. Из черных дыр также исходят так называемые тендекс-линии. Они интереснейшим образом растягивают и сжимают пространство и также участвуют в генерации гравитационных волн.

Численное моделирование – мощный инструмент для теоретических исследований этих вихрей и тендексов. Наблюдения гравитационных волн позволят сделать выводы об их природе и покажут нам все их богатое разнообразие и их влияние на вселенную. Эти инструменты – численное моделирование и детекторы гравитационных волн – открывают золотую эру в исследованиях черных дыр.

Кип Торн

Исследуя искривленную сторону вселенной при помощи гравитационных волн

В программу третьего фестиваля Starmus был включен мультимедийный концерт, иллюстрирующий «искривленную сторону вселенной» и ее исследование с помощью гравитационных волн. Этот концерт стал результатом сотрудничества между астрофизиками – специалистами по компьютерному моделированию, которые на основе своих симуляций создали захватывающие видеоклипы, с Полом Франклином, Оливером Джеймсом и их командой специалистов по видеоэффектам. Специалисты из лондонской студии Double Negative соединили эти клипы с другими клипами собственной разработки, смонтировали их, наложив музыку Ганса Циммера и его группы (с участием гитариста Брайана Мэя, который играл под видеоряд, проигрывавшийся на огромном экране). Кип Торн был научным консультантом этого концерта и рассказал аудитории о научной подоплеке показанных видеоклипов. Текст ниже – это отредактированные выдержки из рассказа Кипа.

У нашей вселенной есть искривленная сторона. То есть объекты, полностью или частично состоящие из искривленного пространства-времени. Примерами служат черные дыры, сталкивающиеся черные дыры, сталкивающиеся нейтронные звезды, черная дыра, разрывающая нейтронную звезду, а также (в молодой вселенной) – сеть космических струн и сеть так называемых доменных стен.

Идеальным инструментом для наблюдения искривленной стороны вселенной является тот тип излучения, который сам состоит из искривленного пространства и времени: гравитационные волны; волны, которые растягивают и сжимают пространство и все, что находится в нем. То есть, все на свете.

Итак, 1,3 миллиарда лет назад многоклеточная жизнь на Земле еще только формировалась. Однако в далекой, далекой галактике две черные дыры уже излучали гравитационные волны, вращаясь по спирали друг вокруг друга, а затем столкнулись.

Из галактики, где они появились, волны вышли наружу, в межгалактическое пространство. Они летели миллиарды лет через космос и между галактиками, пока не достигли внешнего края Млечного Пути – 50 000 лет назад, когда наши предки делили Землю с неандертальцами. Затем, 14 сентября 2015 года эти волны достигли Земли. Они вошли в Землю около Антарктического полуострова, прошли наверх сквозь Землю, не потеряв своей силы, и появились на детекторе гравитационных волн LIGO в Ливингстоне, штат Луизиана, а семь миллисекунд спустя – на детекторе LIGO в Ханфорде, штат Вашингтон.

Они растянули и сжали плечи LIGO в повышающемся ритме, который передался лазерным лучам и был записан в компьютер как детальный отпечаток столкновения черных дыр, произошедшего 1,3 миллиарда лет назад. 11 февраля 2016 года, после пяти месяцев изучения и пережевывания данных, наша команда LIGO сообщила миру о первой встрече людей с гравитационной волной.

За следующие несколько лет, по мере роста чувствительности LIGO, мы, скорее всего, увидим сотни столкновений черных дыр, а также гравитационные волны от вращающихся нейтронных звезд, сталкивающихся нейтронных звезд, от черных дыр, разрывающих нейтронные звезды, и, возможно, взрывов сверхновых и космических струн в очень ранней вселенной. Кроме того, возможно, нас ждут очень большие сюрпризы.

И все это – только начало. LIGO регистрирует гравитационные волны, которые колеблются с миллисекундными периодами: волны в миллисекундном «гравитационном окне» вселенной. За следующие 20 лет откроются еще три гравитационных окна. Во-первых, волны с периодами от минут до часов будут наблюдаться расположенным в космосе европейским проектом LISA. Это три космических аппарата, которые следят друг за другом лазерными лучами. Во-вторых, волны с периодами в несколько лет, которые ускоряют или замедляют все часы на Земле, заставляя импульсы от группы радиопульсаров в небе синхронно замедляться и ускоряться. Наконец, первичные волны с периодом в миллиарды лет от Большого взрыва, которые можно косвенно наблюдать по воздействию на поляризацию космических микроволн. Эти четыре новых окна будут аналогичны окнам электромагнитной астрономии, где используется гамма-излучение, рентгеновское излучение, видимый свет и радиоволны, но они будут гравитационными, а не электромагнитными.

В нашем мультимедийном концерте мы показываем будущее астрономии гравитационных волн в музыке и изображениях: LISA будет наблюдать гравитационные волны от маленьких черных дыр на орбите вокруг гигантских черных дыр. Эти орбиты – очень сложные (рис. 1), так как вращение большой черной дыры затягивает пространство в круговое вращение, как воздух в торнадо. В итоге сами волны – тоже сложной формы. Но поразительно – эти сложные волны несут в себе информацию о полной карте искривленного пространства-времени большой дыры, и малая черная дыра получает всю эту информацию по мере обращения вокруг большой дыры.

Рис. 1. Орбита маленькой черной дыры вокруг черной дыры куда большего размера, быстро вращающейся. Модель Стива Драско.

Если смотреть из более высокого измерения (пятое измерение в «Интерстеллар»), пространство вокруг черной дыры должно иметь такую форму. Оно похоже на воронку или рупор (см. рис. 3 в предыдущей лекции). Черное кольцо внизу – это горизонт событий дыры. На самом деле это расплющенная сфера, которая выглядит как круг, потому что я убрал из этой картины одно пространственное измерение. Цвета показывают замедление времени возле горизонта, а белые стрелки показывают, как дыра затягивает пространство в спиральное движение, как воздух в торнадо.

Теперь представьте, что объект, вокруг которого движется маленькая черная дыра, может быть голой сингулярностью, объектом, сделанным из бесконечно искривленного пространства-времени. Такого может и не существовать, но если LISA обнаружит его, это будет потрясающе!

В этом случае (рис. 2) показанная орбита черной дыры, близкой к сингулярности, может быть крайне хаотичной, тогда как орбиты более удаленных черных дыр будут более правильными. Измеряя гравитационные волны от маленьких черных дыр, LISA может сконструировать карту искривленного пространства-времени сингулярности, карту, резко отличающуюся от той, что покажут маленькие дыры на орбитах вокруг гигантской черной дыры.

Рис. 2. Орбиты шести малых черных дыр вокруг массивной «голой» сингулярности Манько – Новикова. Модель Джендрю Бринка.

Возможно, LIGO вскоре сможет уловить и расшифровать гравитационные волны, которые образуются, когда черная дыра разрывает на части нейтронную звезду. Эти волны позволят нам узнать подробности строения звездного вещества, в десять раз более плотного, чем ядро атома, вещества более необычного, чем все, с чем до сих пор сталкивались люди. А проанализировав гравитационные данные совместно с данными оптических и рентгеновских наблюдений, мы узнаем еще больше.

Во время концерта мы видим сталкивающиеся черные дыры с нескольких точек зрения. Первая – это столкновение, каким его увидят человеческие глаза: черная дыра искажает свет далеких звезд за счет гравитационного линзирования.

Интереснее наблюдать то же столкновение из «пятого измерения» «Интерстеллар» (рис. 3). Перед столкновением (слева) каждая черная дыра сворачивает пространство в воронку, в центральных областях время замедляется, а стрелки указывают на затягивание пространства в движение. Столкновение (справа) превращает форму пространства, течение времени и движение пространства в бурный шторм. Мы даже видим часть внутреннего пространства сливающихся дыр (черная область в центре).

Во время такого шторма дыры выделяют гравитационные волны, мгновенная мощность которых оказывается в пятьдесят раз больше, чем мгновенная мощность свечения всех звезд во вселенной. Пятьдесят светимостей вселенной, которые выходят за долю секунды полностью в виде гравитационных волн. Без света, без радиоволн, без какого бы то ни было электромагнитного излучения. Это и в самом деле поразительно.

Рис. 3. Пространственно-временная геометрия сталкивающихся черных дыр, которые породили гравитационные волны, впервые зарегистрированные LIGO. Слева: до столкновения. Справа: во время столкновения. Модель – SXS Collaboration, визуализация – Гаральд Пфейфер.

Мы также наблюдаем горизонты событий черных дыр, их поверхности, их точки невозврата, откуда ничто не может вырваться. Когда дыры сталкиваются, их горизонты вытягиваются друг навстречу другу, сливаясь в один (рис. 4), под управлением законов механики черных дыр, сформулированных Стивеном Хокингом. Линии на горизонте изображают вращательное движение пространства в его окрестности. Кривые слева и снизу показывают предшествующее слиянию движение центров дыр; движение, на которое оказывает большое влияние закручивание пространства, происходящее из-за вращения большой дыры.

Рис. 4. Сливающиеся горизонты событий черных дыр – большой и малой – и их траектории по прошлым орбитам. Модель – SXS Collaboration, обработка данных – Энди Бон, визуализация – Карран Мульбергер.

Сверхновые – это самые яркие взрывы, видимые в оптический телескоп. Большинство из них случается, когда ядро тяжелой старой звезды коллапсирует и взрывается изнутри. Мы не до конца понимаем детали такого взрыва и не можем полностью описать механизм его запуска. Но внутренний взрыв производит гравитационные волны и нейтрино, совместный анализ которых поможет нам раскрыть секрет «центральной машины», ответственной за рождение и эволюцию сверхновой.

Когда коллапс и внутренний взрыв завершаются, запуская взрыв наружу, «центральная машина» превращается в нейтронную звезду.

Астрономы видят пары нейтронных звезд – старых нейтронных звезд, – которые постепенно сближаются по спирали и теряют энергию, излучая гравитационные волны. В конце концов они сталкиваются (рис. 3), производя финальный выброс гравитационных волн, доносящих нам подробные сведения об их движении, об искривленном пространстве-времени вокруг них, об их фантастических столкновениях и о ядерном веществе, из которого они состоят.

Но для меня самым увлекательным применением гравитационных волн будет изучение первой секунды жизни нашей вселенной. Гравитационные волны – единственный вид излучения, который может выйти неискаженным из этого сверхгорячего, сверхплотного периода – первой секунды вселенной – и принести нам детальную информацию и изображения рождения вселенной.

В самые ранние моменты вселенной некоторые из фундаментальных струн – строительных кирпичей всего вещества, согласно лучшим современным идеям физиков-теоретиков – могли претерпеть инфляцию космических масштабов, произведя плотную сеть космических струн.

Когда сеть струн вибрирует, и распутывается, и снова соединяется, она производит гравитационные волны, которые, может быть, удастся измерить при помощи LIGO или LISA или при помощи радиоинтерферометров, измеряющих время прихода импульсов от радиопульсаров. Если бы мы зарегистрировали такие волны, это было бы первым намеком на наблюдательное подтверждение теории струн.

В начале первой секунды жизни вселенной электромагнитная сила была объединена со слабым ядерным взаимодействием. Но когда вселенная расширилась и остыла, это объединение стремительно распалось, и родилась электромагнитная сила. Это могло случиться внутри пузырей (так называемый фазовый переход первого рода), и если так, такие пузыри расширялись и сталкивались друг с другом со скоростью света, производя гравитационные волны. За прошедшие с тех пор эпохи длина этих волн увеличилась, и теперь они идеально подходят для регистрации и изучения с помощью LISA, орбитального проекта Европейского космического агентства.

Эти описания дают представление о классах источников гравитационных волн и об исследованиях, которые в следующее десятилетие или два выйдут на авансцену благодаря гравитационным волнам.

Гравитационная астрономия сейчас находится в той же стадии развития, в какой находилась электромагнитная астрономия вскоре после того, как Галилей навел свой первый оптический телескоп на небо и обнаружил спутники Юпитера. В будущие века гравитационная астрономия расцветет, так же как электромагнитная астрономия расцвела за века, прошедшие после Галилея.

Роджер Пенроуз

До начала и за пределы вечности. Новый взгляд на космологию

Роджер Пенроуз – британский специалист в области математической физики, математик и философ науки. Он почетный Болловский профессор кафедры математики в Математическом институте Оксфордского университета, а также почетный научный сотрудник Оксфордского Уодем-колледжа. Когда Пенроуз работал в Кембридже над диссертацией по алгебраической геометрии, он задался вопросом о том, можно ли найти набор форм для покрытия плоскости без повторяющихся элементов (так называемая квазисимметрия). Вооруженный только блокнотом и карандашом, Пенроуз взялся разрабатывать наборы плиток, производящие квазипериодические шаблоны. На первый взгляд кажется, что орнамент повторяется, но при более внимательном рассмотрении оказывается, что это не так. В конечном итоге Пенроуз нашел решение этой задачи, но такое решение требовало многих тысяч разных форм. После многолетних исследований и тщательного изучения различных вопросов, он успешно уменьшил число форм до шести, а затем и до невероятных двух. Оказалось, что это задача, которая не может быть решена с помощью вычислений. Пенроуз считает, что мозг может выполнять процессы, которые не может выполнить ни одна вычислительная машина тьюринговского типа. Он знаменит своими книгами о сознании, такими как «Новый ум короля» (1989), которая в 1990 году была удостоена премии Королевского общества The Science Book Prize. Пенроуз также считает физику неполной, поскольку до сих пор не существует квантовой теории гравитации. Его главной работой по физике считается создание теории твисторов, которую он начал свыше 30 лет назад в попытке соединить общую теорию относительности Эйнштейна с квантовой механикой. Пенроуз имеет множество наград за свой вклад в науку. В 1972 году он был избран членом Лондонского Королевского общества, а в 1998 году – зарубежным ассоциированным членом Национальной академии наук США. Другие его награды – это премия Адамса Кембриджского университета, премия по физике фонда Вольфа (совместно со Стивеном Хокингом), премия Дэнни Хайнемана, королевская медаль Королевского общества, медаль Дирака и медаль британского Института физики, медаль Эддингтона Королевского астрономического общества, премия Нейлора, премия Альберта Эйнштейна и медаль Общества Альберта Эйнштейна. За вклад в науку в 1994 году Пенроуз получил рыцарский титул. За популяризацию математических знаний 18 января 2006 года сэр Роберт Пенроуз получил в США премию Коллегии совместной политики в математике.

Мы уже кое-что знаем о наблюдаемой вселенной и ее нынешнем экспоненциальном расширении. Этот вид бесконечного расширения соответствует доработанной версии общей теории относительности Эйнштейна, которую он представил в 1917 году, и, чтобы соответствовать этой теории, вселенная должна будет бесконечно экспоненциально расширяться в отдаленное будущее (рис. 1). Вам придется привыкнуть к мысли, что мне нравится иллюстрировать свои слова на графиках пространства-времени. Вот изображение вселенной на графике пространстве-времени. Время изображено движущимся вверх. Мы можем рассматривать пространство в любой момент времени как горизонтальное сечение. Конечно, я не могу изобразить на картинке все три пространственных измерения. Нам придется привыкнуть к кривой сечения на картинке пространства-времени, где горизонтальная плоскость обозначает трехмерное пространство в конкретный момент времени.

Рис. 1. Большой взрыв.

Вас может заинтересовать, зачем все эти рюшечки сзади. Я нарисовал их, чтобы остаться нейтральным в вопросе о том, открыта вселенная пространственно или закрыта, для моего доклада сейчас это неважно. По мере того, как мы поднимаем горизонтальную плоскость вверх по картинке, сечения пространства-времени показывают пространство в текущий момент времени. Вы видите, как вселенная расширяется и расширяется, и это последующее ускоренное расширение вверху – вывод, сделанный из наблюдений Брайана Шмидта за сверхновыми и из наблюдений другой группы во главе с Солом Перлмуттером. Меня это вполне устраивает, потому что это ускоренное расширение – прямое предсказание общей теории относительности Эйнштейна, которая содержит то, что называется космологической постоянной, величиной, обычно обозначаемой заглавной греческой буквой лямбда: Λ.

Эйнштейн ввел слагаемое Λ в 1917 году, но сделал это по причине, оказавшейся ошибочной (Эйнштейн в то время хотел получить решение в форме статической вселенной). Но он предложил идею Λ, и она описывает то, что космологи теперь называют «темной энергией» (на мой взгляд, это очень неудачный термин). Космологическая постоянная Эйнштейна обладает свойством экспоненциально расширять вселенную на поздних этапах ее эволюции, что соответствует тому типу экспоненциального расширения, который сейчас наблюдается.

Должен сказать, что есть один период в истории вселенной, на отсутствие которого на моем рисунке могут пожаловаться специалисты. Эта космическая инфляция, которая предположительно имела место на самых, самых начальных и очень кратких этапах существования вселенной и продолжалась до смешного короткую долю секунды. Причина, по которой я не показал ее на картинке, – на самом деле две причины, вторая в том, что я в нее не верю (как я поясню вскоре) – в том, что потребуется очень мощное увеличительное стекло, чтобы увидеть ее, поскольку весь этот процесс будет скрыт внутри маленькой черной точки, которой я обозначил Большой взрыв. Здесь мы видим экспоненциальное расширение, которое предположительно случилось в очень короткий отрезок времени существования вселенной – на так называемой инфляционной стадии, длившейся первую сто миллионную миллионную миллионную миллионную миллионную долю секунды (т. е. 1032 секунды) существования вселенной. Я должен обратить ваше внимание, что это был бы очень важный момент экспоненциального расширения в начальный период истории вселенной, и по своей форме он напоминал бы экспоненциальное расширение, которое мы наблюдаем сейчас, как показано на рисунке 1.

Я уже сказал, что не увлечен этой идеей и не верю в нее. Вы можете спросить, почему традиционные космологи рассматривают инфляционную фазу как важнейшую часть современной космологии. Есть несколько причин, некоторые значимые, некоторые, по моему мнению, не очень. Большинство причин, изначально выдвигавшихся, я оценивал как не очень значимые, и исходная идея об инфляции меня не обрадовала, когда я впервые услышал о ней. Я вскоре кое-что скажу об этом. Но у инфляции есть несколько важных свойств, из-за которых она нужна. Если вы не признаете инфляцию, вам придется придумать что-то другое, что могло бы сыграть роль инфляции в отношении этих полезных свойств. Так что я намерен заявить, что своего рода инфляция была, но она была не сразу после Большого взрыва, а до него.

Вам это может показаться безумным, но общая идея этого типа для меня не была новой, она выдвигалась несколькими годами ранее хорошо известным и очень заслуженным итальянским физиком по имени Габриэле Венециано. Его модель отличалась от моей, но у него была идея, что что-то происходило и до Большого взрыва и что на этой предыдущей стадии было нечто, выглядящее как инфляция с точки зрения людей, живущих после Большого взрыва. Поэтому когда мы рассматриваем эту очень раннюю вселенную, нам кажется, что мы видим эту вещь, обычно объясняемую экспоненциальным расширением, по нашим предположениям втиснутую в крошечный отрезок времени сразу после Большого взрыва, но может быть, вместо этого нечто случилось до Большого взрыва. Это возмутительное предположение, поскольку считается, что Большой взрыв представляет самое начало вселенной, и я к нему вернусь. Это будет важнейшая часть моего доклада.

Большая часть того, что я собираюсь сказать, будет вполне традиционна с точки зрения современной космологии, но предположение, что нечто происходило до Большого взрыва, отнюдь не традиционно. Я все равно опишу его и в конце постараюсь указать несколько впечатляющих причин отнестись к этому предположению серьезно, с учетом нескольких потрясающих наблюдательных фактов. Для начала я хочу рассказать вам о двух математических трюках, которые полезны для понимания геометрии нашей вселенной. Эти два трюка в некотором смысле являются двумя противоположными аспектами одной идеи. Один из них имеет отношение к тому, как можно объяснить что-либо происходившее до Большого взрыва. Другой может помочь понять, как нечто может существовать за пределами вечности!

Позвольте мне начать с вечности, поскольку (что может показаться удивительным) это немного проще, а там посмотрим. Это трюк, который использовали многие геометры, и даже известный голландский художник М. С. Эшер. На рисунке 2 приведен один из его весьма элегантных принтов: «Предел круга I». На нем изображен способ представления определенного вида геометрии, известного как гиперболическая плоскость. Рисунок показывает так называемое конформное представление этой геометрии. Что здесь означает «конформное»? Это означает, что геометрия деформирована только таким образом, что в пределе уменьшающихся фигур нет искажений, только изменение общих размеров или вращение. Если говорить более точно, углы сопряжения кривых представлены правильно, хотя размеры самих фигур могут быть существенно увеличены или уменьшены. У больших фигур могут быть некоторые деформации, и линии могут быть не очень прямыми.

Рис. 2. Предел круга I.

В данной геометрии (так называемой «конформной картине Бельтрами»), как это проиллюстрировано Эшером, все белые рыбы считают себя идентичными друг другу, и то же с черными рыбами, хотя рыбы, изображенные ближе к краям, намного меньше тех, что в центре. У всех рыб круглые глаза, и эта округлость сохраняется вплоть до краев, как свойство этой конформной геометрии. Граничный круг представляет собой бесконечность для всех рыб этого геометрического мира.

Такое «сдавливание» к бесконечности для получения конечной границы – один из аспектов конформной геометрии. И теперь я сделаю то же самое для вселенной. Мы будем рассматривать пространственно-временную геометрию вселенной тем же конформным образом, используя тот же трюк, что Эшер. Это показано в верхней части рисунка 3. У нас есть три измерения пространства и одно измерение времени (хотя, как и прежде, вы видите только одно измерение пространства на картинке, а остальное воображаете). Этот трюк позволяет нам сдавить удаленную временну́ю бесконечность всего экспоненциального расширения вниз, конформно, к конечной границе, как показано в верхней части рисунка 3.

Рис. 3. Два математических трюка: 1) «сдавить» будущую бесконечность, чтобы получить границу в будущем; 2) «растянуть» сингулярность Большого взрыва, чтобы получить начальную границу.

Теперь я сделаю противоположную вещь с другим концом нашей картины вселенной. То есть, я раздвину Большой взрыв и тоже сделаю его областью с конечной границей. Это показано в нижней части рисунка 6.

Одна из причин, по которым я хочу сделать так – и здесь я не собираюсь вдаваться в подробности, – состоит в том, что я хочу включить одну из самых важных вещей в физике, которая перевешивает любую конкретную динамическую теорию, которую вы рассматриваете. Это Второй закон термодинамики. Этот закон (Второй закон для краткости), грубо говоря, гласит, что с течением времени вещи становятся все более хаотичными. Используя более технический язык, мы скажем, что энтропия увеличивается со временем, где слово «энтропия» – несколько более точный физический термин, для того, что я называл хаосом. Так что Второй закон утверждает, что энтропия увеличивается со временем (или по крайне мере сохраняется) за исключением возможных случайных флуктуаций.

Второй закон можно выразить и по-другому, сказав, что энтропии становится меньше и меньше по мере продвижения в прошлое. Таким образом, чем ближе мы подходим к Большому взрыву, тем меньше должна быть общая энтропия. Однако здесь появляется некий парадокс, по причине имевшего место в отдаленном прошлом чрезвычайно горячего состояния вселенной, которое мы определяем как Большой взрыв, чудовищно горячего состояния, выглядящего как тепловое, где слово «тепловой» обычно определяет максимальную энтропию! В самом деле, свидетельства, которые мы получаем, измеряя так называемый Космический микроволновый фон или CMB (электромагнитное излучение, приходящее к нам из космоса со всех направлений), по всей видимости, подтверждают это. Два наиболее явных и поразительных факта о CMB состоят, во-первых, в однородности во всех направлениях, которую он выявляет в структуре очень ранней вселенной, и во-вторых, в тепловой природе ее спектра (планковский спектр излучения). Оба они характерны для состояния максимальной энтропии! Это выглядит как выраженный парадокс, который мы обнаруживаем в этой очень ранней вселенной, состояние максимальной энтропии в этих двух аспектах, а именно однородности и планковском спектре. Не чрезвычайный ли это парадокс? Мы ведь должны были обнаружить состояние с очень небольшой энтропией, чтобы Второй закон оказывался верен и для самого начала существования вселенной.

Этот очевидный парадокс разрешается тем соображением, что наши предыдущие рассуждения включали только вещество и излучение в ранней вселенной, а роль гравитации не упоминалась. В отличие от случая вещества и излучения, где однородность означает высокую энтропию, в случае гравитации все наоборот. Если вы рассматриваете гравитацию, ситуации с низкой энтропией – то есть «высокоорганизованные» ситуации – это те, в которых геометрия очень, очень однородна.

По мере того как это однородно распределенное вещество начинает слипаться под воздействием гравитации, энтропия в гравитационном поле увеличивается. Слипшиеся области разогреваются и становятся звездами, а однородные области остаются холодными. Это проявление Второго закона термодинамики: резервуар с низкой (благодаря изначальной однородности) энтропией в гравитации в ходе гравитационного слипания переносится к объектам из концентрированного вещества, таким как звезды, вместе с более холодным межзвездным газом, где мы теперь видим дисбаланс температуры и плотности, который указывает на низкую энтропию в веществе. И от этого дисбаланса температуры зависит жизнь на Земле. Мы получаем энергию от Солнца в форме с низкой энтропией (относительно немного фотонов высокой энергии, где фотоны – квантованные элементы света), а ночью энергия возвращается в темное небо в форме с высокой энтропией (много-много фотонов низкой энергии). Таким образом растения с помощью фотосинтеза наращивают свою массу организованным низкоэнтропийным способом и поддерживают жизнь на этой планете. Все это происходит благодаря низкой энтропии в гравитационном поле, которое выражается в очень однородном начальном состоянии.

Одним из первых аргументов, выдвинутых в поддержку необходимости космической инфляции, было то, что раннее разглаженное состояние вселенной может быть объяснено, только если на очень ранней стадии ее существования произошло экспоненциальное расширение, которое разгладило бы любую неровность, которая могла бы возникнуть в самом начале. Этот аргумент и сейчас обычно приводят как причину для постулирования очень ранней инфляционной фазы. Однако именно этот аргумент в пользу космической инфляции, очевидно, неверен, поскольку требует от нее конфликтовать со Вторым законом термодинамики, волшебным образом уменьшая вклад гравитации в энтропию в ходе инфляционного расширения.

Этот контраргумент можно сделать более выразительным, если рассмотреть коллапсирующую модель вселенной – как нашу на рисунке 1, но с обратным направлением времени. С появлением небольших возмущений, развивающихся согласно Второму закону, этот коллапс ведет к огромной конгломерации сингулярных черных дыр, формирующихся на его финальных стадиях, и завершается невероятно сложной пространственно-временной сингулярностью, как показано на рисунке 4.