Помоги проекту - поделись книгой:
Однако в 1963 г. математик Рой Керр нашел совершенно новое решение уравнений Эйнштейна для вращающейся черной дыры. Ранее, в работе Шварцшильда, черная дыра должна была коллапсировать в неподвижную крохотную точку, получившую название сингулярности, где гравитационные поля становились бесконечными и все сжималось буквально в точку. Но при анализе уравнений Эйнштейна для вращающейся черной дыры Керр обнаружил странность.
Во-первых, такая черная дыра не схлопывается в точку. Вместо этого она коллапсирует в быстро вращающееся кольцо. (Центробежные силы, действующие на вращающееся кольцо, достаточно сильны, чтобы не дать этому кольцу схлопнуться под действием собственной гравитации.)
Во-вторых, если вы попадете в кольцо, то очень может быть, что вас не раздавит и вам удастся пройти насквозь. Гравитация внутри кольца на самом деле конечна.
В-третьих, математика указывает, что, пройдя сквозь кольцо, вы можете попасть в параллельную вселенную. При этом вы – буквально – покидаете нашу вселенную и входите в другую, родственную. Представьте себе два листа бумаги, лежащие один на другом, а затем проткните их оба соломинкой. Проходя по соломинке, вы покидаете одну вселенную и попадаете в параллельную. Эта соломинка и называется кротовой норой.
В-четвертых, входя в кольцо снова, вы можете проследовать дальше, в следующую вселенную. Процесс чем-то напоминает передвижение на лифте через этажи высотного здания. Воспользовавшись лифтом, вы попадаете с одного этажа на другой; войдя в кротовую нору, вы попадаете в совершенно новую вселенную. Таким образом, мы получили поразительную и совершенно новую картину черной дыры. В самом центре вращающейся черной дыры обнаруживается нечто, напоминающее волшебное зеркало Алисы: по одну его сторону мы видим мирные окрестности английского Оксфорда, но стоит протянуть руку сквозь зеркало – и вы оказываетесь в совершенно ином месте.
Рис. 10. Гипотетически не исключено, что, пройдя сквозь кротовую нору, можно достичь звезд или даже попасть в прошлое
В-пятых, если бы вам удалось-таки пройти сквозь кольцо, вы имели бы также шанс оказаться в отдаленной области вашей собственной вселенной. Так что кротовые норы могут оказаться чем-то вроде тоннелей метро, незримо пронизывающих пространство и время и соединяющих отдаленные точки короткими маршрутами. Расчеты показывают, что по ним, теоретически, можно было бы путешествовать быстрее скорости света или даже перемещаться назад во времени, не нарушая при этом известных физических законов.
Эти странные выводы, какими бы дикими они ни казались, невозможно легко отбросить, поскольку они представляют собой решения уравнения Эйнштейна и описывают вращающиеся черные дыры, которые, как мы сейчас считаем, встречаются гораздо чаще других.
На самом деле понятие кротовых нор первым ввел сам Эйнштейн в 1935 г. в статье, написанной в соавторстве с Натаном Розеном. Они нарисовали образ двух соединенных черных дыр, напоминающий две воронки в пространстве-времени. Если упасть в одну воронку, то тебя выбросит из второй – и по пути не раздавит.
В романе Теренса Уайта «Король былого и грядущего» есть такая знаменитая строка: «Все, что не запрещено, обязательно случается». На самом деле физики воспринимают это заявление всерьез. Если нет какого-нибудь физического закона, который запрещает некое явление, то оно, вполне возможно, существует где-то во Вселенной.
Так, несмотря на чрезвычайную сложность образования кротовых нор, некоторые физики высказывают предположение о том, что они, возможно, существовали в начале времен, а затем, после Большого взрыва, расширились. Не исключено, что их существование совершенно естественно. Когда-нибудь, возможно, наши телескопы позволят нам разглядеть в пространстве кротовую нору. Хотя кротовые норы сильно разожгли воображение писателей-фантастов, попытка реально создать такую штуку в лаборатории ставит перед исследователем немыслимые проблемы.
Во-первых, необходимо накопить громадное количество положительной энергии, сопоставимое с энергией черной дыры, чтобы открыть проход в пространстве-времени. Одно это потребовало бы технологий весьма и весьма развитой цивилизации. Так что мы вряд ли можем ожидать, что какой-нибудь изобретатель-одиночка в скором времени создаст кротовую нору в подвале собственного дома.
Во-вторых, такая кротовая нора будет нестабильной и закроется сама по себе, если не добавить в систему новый экзотический компонент, называемый отрицательной материей, или отрицательной энергией, что совершенно не то же самое, что антиматерия. Отрицательная материя и энергия обладают отталкивающими свойствами, которые могут удержать кротовую нору от схлопывания.
Физики никогда не встречали отрицательной материи. Мало того, такая материя должна подчиняться законам антигравитации и падать вверх, а не вниз. Если миллиарды лет назад на Земле и была отрицательная материя, то гравитация Земли оттолкнула ее и выбросила в космос. Так что мы не рассчитываем найти отрицательную материю на Земле.
Отрицательная энергия, в отличие от отрицательной материи, реально существует, но лишь в крохотных количествах, слишком маленьких, чтобы иметь практическую ценность. Только очень высокоразвитая цивилизация, обогнавшая нас, возможно, не на одну тысячу лет, смогла бы накопить достаточное количество положительной и отрицательной энергии, чтобы сначала создать кротовую нору, а затем не дать ей схлопнуться.
В-третьих, излучения самой гравитации (называемого гравитонным излучением) может оказаться достаточно, чтобы вызвать взрыв кротовой норы.
В конечном итоге для однозначного ответа на вопрос о том, что произойдет, если упасть в черную дыру, придется подождать появления настоящей теории всего, в которой и материя, и гравитация будут проквантованы.
Некоторые физики всерьез предлагают противоречивую идею, согласно которой, когда звезды падают в черную дыру, они не сжимаются в сингулярность, а выдуваются на другую сторону кротовой норы, где образуют белую дыру. Белая дыра подчиняется в точности тем же уравнениям, что и черная, за исключением того, что направление времени в ней развернуто в обратном направлении, так что материя из белой дыры, наоборот, извергается. Физики ищут белые дыры в космосе, но пока безуспешно. Смысл идеи белых дыр состоит в том, что Большой взрыв, возможно, первоначально был белой дырой, и все звезды и планеты, которые мы видим в небесах, были выброшены из какой-то черной дыры около четырнадцати миллиардов лет назад.
Дело в том, что только теория всего может сказать нам, что находится по ту сторону черной дыры. Только вычислив квантовые поправки к гравитации, мы сможем ответить на глубочайшие вопросы, которые ставят перед нами кротовые норы.
Но если кротовые норы когда-нибудь позволят нам мгновенно перемещаться по галактике, то смогут ли они также провести нас в прошлое?
Путешествия во времени – неотъемлемый элемент научной фантастики еще со времен «Машины времени» Герберта Уэллса. Мы можем свободно передвигаться в трех измерениях (вперед-назад, вправо-влево и вверх-вниз), так что, возможно существует и способ передвижения в четвертом измерении – времени. Уэллс описывал его так: человек входит в машину времени, поворачивает диск-указатель, а затем переносится через сотни тысяч лет в будущее, в год 802 701 н. э.
С тех самых пор ученые исследуют возможность путешествий во времени. Когда Эйнштейн в 1915 г. только предложил свою теорию гравитации, он очень тревожился, что его уравнения разрешат играть со временем и проникать в прошлое, – он был уверен, что это указывало бы на ошибку в его теории. Но эта возможность стала реальной в 1949 г., когда сосед Эйнштейна по знаменитому Принстонскому институту перспективных исследований, великий математик Курт Гёдель, обнаружил, что если бы Вселенная вращалась, то при перемещении по ней с достаточной скоростью можно было проникнуть в прошлое, то есть вернуться в момент времени до отправления. Эйнштейна поразило это неортодоксальное решение. В своих мемуарах он в конечном итоге заключил, что, хотя во Вселенной Гёделя путешествия во времени возможны, эту возможность можно отбросить «из физических соображений», подразумевая, что на самом деле Вселенная расширяется, а не вращается.
Сегодня, хотя физики по-прежнему не уверены в возможности путешествий во времени, они воспринимают этот вопрос очень серьезно. Был найден целый ряд новых решений уравнений Эйнштейна, допускающих путешествия во времени.
Для Ньютона время было подобно стреле. Единожды отправившись в путь, оно безостановочно летит вперед с одинаковой во всей вселенной скоростью. Одна секунда на Земле равна одной секунде в любой другой точке пространства. Часы, находящиеся в любых уголках вселенной, можно синхронизировать. Для Эйнштейна, однако, время больше похоже на реку. На своем извилистом пути меж звезд и галактик оно может ускоряться или замедляться. Время в разных точках вселенной может идти с разной скоростью. Новая картина, однако, утверждает, что в реке времени могут иметься водовороты, способные забросить вас в прошлое (физики называют их замкнутыми времениподобными кривыми). Не исключено также, что река времени может разветвляться на два потока, так что линия времени тоже расщепляется, образуя две параллельные вселенные.
Хокинг был настолько захвачен путешествиями во времени, что бросил вызов другим физикам. Он считал, что должен существовать какой-то скрытый закон физики, пока не обнаруженный, который он называл гипотезой о защищенности хронологии, и что этот закон раз и навсегда запретит путешествия во времени. Но доказать эту гипотезу ему, несмотря на все старания, так и не удалось. Это означает, что путешествия во времени, равно как и машина времени, могут все же оказаться совместимыми с законами физики.
Кроме того, Хокинг иронично заметил, что если путешествия во времени возможны, то «где же тогда туристы из будущего?». Каждое значительное историческое событие должно, по идее, привлекать орды туристов, которые, потрясая камерами и расталкивая друг друга, отчаянно пытаются найти самый лучший ракурс и сделать фотографии поинтереснее, чтобы было чем похвастать в будущем перед друзьями.
Задумайтесь на мгновение, какие шалости и розыгрыши вы могли бы учинить, если бы у вас была машина времени. Возвращаясь в прошлое, вы могли бы безошибочно играть на бирже и стать миллиардером. Вы могли бы изменять ход прошедших событий. Письменная история стала бы невозможной. Историки остались бы без работы.
Разумеется, у путешествий во времени есть серьезные проблемы. Существует множество парадоксов, связанных с путешествиями во времени. Вот некоторые из них.
Можно сделать настоящее невозможным: если вы отправитесь в прошлое, встретитесь со своим дедушкой, когда он был ребенком, и убьете его, то как вы вообще можете существовать на свете?
Машина времени из ниоткуда: некто из будущего делится с вами секретом путешествий во времени. Много лет спустя вы сами отправляетесь в прошлое и передаете секрет путешествий во времени себе самому, только более молодому. Откуда же в таком случае берется этот секрет?
Можно стать собственной матерью: писатель-фантаст Роберт Хайнлайн написал рассказ о том, как можно положить начало собственному генеалогическому древу. Представьте, что девочка-сирота вырастает, но меняет пол и становится мужчиной. Затем этот мужчина возвращается в прошлое, встречает себя и заводит с собой ребенка – девочку. После этого мужчина увозит дочку еще дальше в прошлое и оставляет в том самом приюте, после этого цикл повторяется. Таким образом, девочка становится сама себе матерью, дочерью, бабушкой, прабабушкой и т. д.
В конечном итоге разрешение всех этих парадоксов может произойти только тогда, когда будет сформулирована полная теория квантовой гравитации. Например, когда вы входите в машину времени, ваша временная линия может расщепляться и создавать параллельную квантовую вселенную. Допустим, вы отправляетесь в прошлое, чтобы не допустить убийства Авраама Линкольна в театре Форда. Возможно, вы его и спасете, но в параллельной вселенной. Следовательно, Линкольн в вашей первоначальной вселенной все равно погибает и ничто не меняется. Но вселенная расщепилась надвое, и в параллельной вселенной вы спасаете президента Линкольна.
Таким образом, если считать, что линия времени способна расщепляться с образованием параллельных вселенных, то все парадоксы путешествий во времени могут быть разрешены.
На вопрос путешествий во времени можно будет ответить определенно только тогда, когда мы сумеем вычислить гравитонные квантовые поправки, на которые до сих пор не обращали внимания. Физики применили квантовую теорию к звездам и к кротовым норам, осталось применить ее к самой гравитации через гравитоны, но для этого необходима теория всего.
Эта дискуссия поднимает интересные вопросы. Может ли квантовая механика полностью объяснить природу Большого взрыва? Может ли она в случае применения к гравитации ответить на один из великих вопросов науки: что происходило до Большого взрыва?
Откуда взялась Вселенная? Что привело Вселенную в движение? Это, возможно, одни из величайших вопросов как теологии, так и науки и предмет бесконечных предположений.
Древние египтяне верили, что Вселенная начиналась в виде космического яйца, плавающего в Ниле. Некоторые полинезийцы верили, что Вселенная началась с космического кокосового ореха. Христиане верят, что Вселенная была приведена в движение, когда Бог сказал: «Да будет свет!»
Происхождение Вселенной давно интересует и физиков, особенно после того, как Ньютон снабдил нас убедительной теорией всемирного тяготения. Но когда сам Ньютон попытался применить свою теорию ко Вселенной, которую мы видим вокруг, он столкнулся с проблемами.
В 1692 г. он получил встревожившее его письмо от священника Ричарда Бентли. В этом письме Бентли просил Ньютона объяснить скрытый, но, возможно, разрушительный недостаток его теории. Если Вселенная конечна и если гравитация всегда притягивает, но никогда не отталкивает, то со временем все звезды во Вселенной притянутся друг к другу. Мало того, если времени будет достаточно, они все сольются в одну-единственную гигантскую звезду. Так что конечная Вселенная должна быть нестабильной и со временем схлопнуться. Поскольку этого не происходит, в теории Ньютона, должно быть, имеется ошибка.
Далее он утверждал, что законы Ньютона предсказывают нестабильность Вселенной даже в том случае, если она бесконечна. В бесконечной Вселенной с бесконечным числом звезд сумма всех сил, действующих на звезду слева и справа, будет тоже бесконечна. Следовательно, эти бесконечные силы должны со временем разорвать звезды на части и в конечном итоге привести к их распаду.
Ньютона это письмо встревожило, потому что сам он не рассматривал возможности применения своей теории ко всей Вселенной. Позже Ньютон предложил интересный, но неполный ответ на этот вопрос.
Да, признал он, если гравитация всегда притягивает и никогда не отталкивает, то звезды и сама Вселенная, возможно, нестабильны. Но в этих рассуждениях есть пробел. Предположим, что Вселенная в среднем совершенно однородна и бесконечна во всех направлениях. В такой статичной Вселенной все силы гравитации компенсируют друг друга, и она остается стабильной. Если взять любую звезду, то действующие на нее в разных направлениях силы притяжения всех отдаленных звезд в конечном итоге складываются в нуль, и потому Вселенная не схлопывается.
Это, конечно, было остроумное решение проблемы, но Ньютон понимал, что и в нем есть потенциальная слабость. Вселенная может быть в среднем однородной, но она не может быть в точности одинаковой во всех точках, так что крохотные отклонения все же должны быть. Подобно карточному домику, она кажется стабильной, но даже крохотное нарушение вызовет мгновенный коллапс всей конструкции. Ньютон был достаточно умен и понимал, что однородная бесконечная Вселенная, хотя и стабильна, всегда балансирует на грани коллапса. Иными словами, взаимная компенсация бесконечных сил должна быть бесконечно точной, иначе Вселенная либо схлопнется, либо будет разорвана на части.
В конечном итоге Ньютон пришел к выводу, что Вселенная бесконечна и в среднем однородна, но иногда Богу приходится слегка встряхивать звезды во Вселенной, чтобы они не схлопнулись под действием гравитации.
Но это вызывает новую проблему. Если считать, что Вселенная бесконечна и однородна, то, в какую бы точку пространства мы ни бросили взгляд, он рано или поздно наткнется на звезду. Но поскольку звезд во Вселенной бесконечное количество, то и света в наши глаза должно попадать бесконечно много со всех направлений.
Ночное небо должно быть белым, а не черным. Эта загадка называется парадоксом Ольберса.
За поиск ответа на этот каверзный вопрос брались величайшие умы в истории человечества. Кеплер, например, просто отбросил парадокс, заявив, что Вселенная конечна и, следовательно, никакого парадокса не существует. Другие ученые высказывали предположения о том, что звездный свет заслоняют от нас пылевые облака. (Но такое объяснение не годится, поскольку через бесконечное время пылевые облака разогреваются и начинают излучать как абсолютно черное тело, аналогично звезде. Так что Вселенная вновь становится белой.)
Окончательный ответ дал Эдгар Аллан По в 1848 г. Как астроном-любитель, он был буквально заворожен парадоксом и сказал, что ночное небо черное, так как если двигаться назад во времени достаточно долго, то когда-нибудь мы достигнем отсечки, то есть начала существования Вселенной. Иными словами, ночное небо черно потому, что возраст Вселенной конечен. Мы не получаем из бесконечно далекого прошлого света, который сделал бы ночное небо белым, потому что у Вселенной не было бесконечно далекого прошлого. Это означает, что телескопы, направленные на самые далекие звезды, со временем увидят черноту самого Большого взрыва.
Остается лишь удивляться тому, как человек исключительно силой мысли, без каких бы то ни было экспериментов смог прийти к выводу, что Вселенная непременно должна иметь начало.
Эйнштейн, формулируя в 1915 г. общую теорию относительности, должен был непременно столкнуться с этими ошеломляющими парадоксами.
Еще в 1920-е гг., когда он впервые начал применять свою теорию к самой Вселенной, астрономы говорили, что Вселенная статична, что она не расширяется и не сжимается. Но Эйнштейн нашел в своих уравнениях нечто озадачивающее. Попытки решить их показывали, что Вселенная динамична, что она либо расширяется, либо сжимается. (Тогда он этого не понял, но это был ответ на вопрос Ричарда Бентли. Вселенная не схлопывается под действием гравитации, потому что она расширяется, преодолевая таким образом тенденцию к схлопыванию.)
Чтобы найти хоть какую-нибудь статичную вселенную, Эйнштейну пришлось ввести в уравнения поправочный коэффициент (получивший название космологической постоянной). Подобрав величину этого коэффициента вручную, он смог скомпенсировать расширение или сжатие Вселенной.
Позднее, в 1929 г., астроном Эдвин Хаббл, воспользовавшись гигантским телескопом обсерватории Маунт-Вилсон в Калифорнии, сделал поразительное открытие. Оказалось, что Вселенная все же расширяется, как и предсказывали с самого начала уравнения Эйнштейна. Хаббл пришел к такому выводу, проанализировав доплеровское смещение света далеких галактик. (Когда звезда движется от нас, ее световые волны немного растягиваются, так что длина волны света чуть увеличивается, а весь спектр звезды слегка смещается в сторону красной области. Когда звезда движется к нам, ее световые волны сжимаются, так что длина волны света чуть уменьшается, а весь спектр звезды слегка голубеет. Тщательно проанализировав галактики, Хаббл обнаружил, что в среднем для их света характерно красное смещение, иначе говоря, они удаляются от нас. Таким образом, Вселенная расширяется.)
В 1931 г. Эйнштейн побывал в обсерватории Маунт-Вилсон и встретился с Хабблом. Когда Эйнштейну сказали, что в космологической постоянной нет необходимости и что Вселенная все-таки расширяется, он признал, что космологическая постоянная была его «величайшей ошибкой». (На самом деле, как мы увидим, не так давно космологическая постоянная вернулась, так что даже ошибки Эйнштейна открывают совершенно новые области для научных исследований.)
Кроме того, полученный результат позволял сделать еще один шаг и рассчитать возраст Вселенной. Имея вычисленную Хабблом скорость убегания галактик, можно было «пустить запись» в обратную сторону и рассчитать, как долго уже продолжается это расширение. Первоначальный расчет показал, что возраст Вселенной равен 1,8 млрд лет (это создало неловкую ситуацию, поскольку уже было известно, что возраст Земли больше – ей 4,6 млрд лет. Последние данные с космического телескопа «Планк» дают нам возраст Вселенной, равный 13,8 млрд лет).
Следующая революция в космологии произошла, когда физики начали применять квантовую теорию к Большому взрыву. Русский физик Георгий Гамов задался вопросом: если Вселенная начала свое существование в виде гигантского сверхгорячего взрыва, то не должна ли часть его тепла уцелеть до наших дней? Если применить квантовую теорию к Большому взрыву, то получается, что первоначальный огненный шар должен был представлять собой квантовое абсолютно черное тело – идеальный излучатель. Поскольку свойства абсолютно черного тела хорошо известны, можно, по идее, рассчитать и излучение, которое представляет собой послесвечение, или эхо Большого взрыва.
В 1948 г. Гамов и его коллеги Ральф Альфер и Роберт Херман вычислили, что температура остаточного излучения Большого взрыва сегодня должна быть примерно на пять градусов выше абсолютного нуля. (Реальная его температура составляет 2,73 K.) Такова температура Вселенной после миллиардов лет остывания.
Это предсказание подтвердилось в 1964 г., когда Арно Пензиас и Роберт Вильсон при помощи гигантского радиотелескопа в Холмделе обнаружили в космическом пространстве это остаточное излучение. (Сначала они решили, что фоновое излучение объясняется каким-то дефектом их аппаратуры. По легенде, они поняли свою ошибку, когда прочли лекцию в Принстоне и кто-то в аудитории сказал: «Либо вы регистрируете птичий помет на антенне, либо возникновение Вселенной». Для проверки им пришлось тщательно соскрести с антенны радиотелескопа весь голубиный помет.)
Сегодня это микроволновое реликтовое излучение, пожалуй, самое убедительное и весомое свидетельство в пользу Большого взрыва. Как и предсказывалось, недавние спутниковые снимки фонового излучения показывают однородный огненный шар энергии, равномерно распределенный по Вселенной. (Когда вы слышите помехи в радиоприемнике, их источником в определенной мере является Большой взрыв.)
Мало того, спутниковые фотографии сегодня настолько качественны, что на них можно обнаружить ничтожную рябь на фоновом излучении, обусловленную квантовым принципом неопределенности. В момент рождения Вселенной происходили, судя по всему, квантовые флуктуации, которые и вызвали эту рябь. Идеально гладкий Большой взрыв нарушил бы принцип неопределенности. Мелкая рябь со временем расширилась вместе с Большим взрывом и при этом породила все те галактики, которые мы видим. (Более того, если бы наши спутники
Это дает нам замечательную новую картину квантовой теории. Своим существованием в галактике Млечный Путь в окружении миллиардов других галактик мы обязаны крохотным квантовым флуктуациям во время Большого взрыва. Миллиарды лет назад все, что вы видите вокруг, было крохотной точкой в этом фоновом излучении.
Следующий шаг вперед был сделан, когда удалось применить достижения квантовой теории и Стандартной модели к общей теории относительности.
Воодушевленные успехом Стандартной модели в 1970-е гг., физики Алан Гут и Андрей Линде задались вопросом: можно ли применить уроки, извлеченные из Стандартной модели и квантовой теории, к Большому взрыву?
Вопрос этот был новаторским, поскольку Стандартная модель в космологии в то время еще не применялась. Гут заметил, что два загадочных аспекта Вселенной невозможно объяснить Большим взрывом в том виде, каким его представляли до того момента.
Во-первых, существует проблема кривизны пространства во Вселенной. Теория Эйнштейна гласит, что ткань пространства-времени должна обладать легкой кривизной. Но при анализе кривизны Вселенной кажется, что на самом деле она намного более плоская, чем предсказывает теория Эйнштейна. Больше того, создается впечатление, что наша Вселенная совершенно плоская с точностью до экспериментальной погрешности.
Во-вторых, она намного более однородна, чем должна бы быть. В процессе Большого взрыва в первоначальном огненном шаре обязательно должны были присутствовать нерегулярности и отклонения от идеала. Однако Вселенная представляется вполне однородной, в каком бы направлении мы ни смотрели в небеса.
Оба этих парадокса можно разрешить с привлечением квантовой теории и явления, которое Гут назвал инфляцией. Во-первых, согласно его идее, Вселенная пережила этап сверхскоростного расширения – намного более быстрого, чем то, что первоначально постулировалось для Большого взрыва. Это фантастическое расширение сделало Вселенную в основном плоской и устранило ту кривизну, которая имелась поначалу.
Во-вторых, первоначальная Вселенная могла быть нерегулярной, но какая-то крохотная ее часть оставалась однородной, и именно она в процессе инфляции раздулась до громадных размеров. Это позволяло объяснить, почему Вселенная сегодня выглядит такой однородной: мы происходим из крохотного однородного кусочка более масштабного огненного шара, рожденного Большим взрывом.
Инфляция влечет за собой далеко идущие последствия. Из нее следует, в частности, что видимая Вселенная вокруг нас представляет собой на самом деле крохотный, пренебрежимо малый кусочек гораздо более масштабной вселенной, которую мы, однако, никогда не увидим, поскольку она находится слишком далеко.
Но что же вызвало инфляцию? Что запустило этот процесс? Почему вообще Вселенная стала расширяться? Пытаясь ответить на эти вопросы, Гут черпал вдохновение в Стандартной модели. В квантовой теории мы начинаем с симметрии, а затем нарушаем ее при помощи бозона Хиггса, чтобы получить ту Вселенную, которую видим вокруг. Используя аналогичный подход, Гут высказал предположение о существовании нового типа бозона Хиггса (так называемого инфлатона), который сделал возможной инфляцию. Как и в случае с настоящим бозоном Хиггса, Вселенная родилась в ложном вакууме, породившем эпоху стремительной инфляции. Но затем внутри инфляционного поля возникли квантовые пузыри. Внутри такого пузыря появился истинный вакуум, где инфляция прекратилась. Наша Вселенная родилась как один из этих пузырей. Внутри пузыря Вселенная замедлилась до современной скорости расширения.
Пока инфляционная концепция соответствует астрономическим данным. На сегодня это ведущая теория. Но у нее имеются неожиданные следствия. Если мы привлекаем квантовую теорию, это означает, что Большой взрыв может происходить снова и снова. Новые вселенные могут постоянно рождаться из нашей Вселенной.
Это означает, что на самом деле наша Вселенная – всего лишь единственный пузырек в море пены, где каждый пузырек – вселенная. Иначе говоря, возникает мультивселенная, состоящая из множества параллельных вселенных. Вместе с тем по-прежнему остается открытым вопрос: что изначально двигало инфляцию? Чтобы объяснить это, как мы увидим в следующей главе, требуется еще более продвинутая теория – теория всего.
Общая теория относительности дает нам не только беспрецедентную возможность заглянуть в самое начало Вселенной, но и описать ее окончательную судьбу. Разумеется, в древних религиях можно найти яркие образы конца времен. Древние викинги верили, что мир закончится Рагнарёком, или Сумерками богов, когда гигантская снежная буря охватит всю планету, а боги начнут последнюю битву со своими небесными врагами. Для христиан книга «Откровение» пророчит всевозможные катастрофы, катаклизмы и появление четырех всадников Апокалипсиса, предвещающих Второе пришествие.
Но для физика традиционно существуют два пути, способных привести к концу всего мира. Если плотность Вселенной низка, то гравитации звезд и галактик не хватит, чтобы противостоять расширению пространства, Вселенная будет расширяться вечно и медленно придет к Большому замерзанию. Звезды исчерпают все ядерное топливо, небо почернеет, и даже черные дыры испарятся. Вселенная постепенно превратится в безжизненное, сверххолодное море дрейфующих элементарных частиц.
Если плотность Вселенной достаточно велика, гравитации звезд и галактик, возможно, хватит, чтобы противостоять пространственному расширению. Тогда звезды и галактики со временем схлопнутся в Большом сжатии, при котором температура взлетит до небес и уничтожит всю жизнь во Вселенной. (Некоторые физики даже предполагают, что после этого Вселенная, возможно, вновь вспыхнет в Большом взрыве, и все начнется сначала – получится этакая циклическая вселенная.)
Но в 1998 г. астрономы сделали поразительное заявление, перевернувшее многие из лелеемых нами преставлений и заставившее переписать учебники. Проанализировав далекие сверхновые по всей Вселенной, они обнаружили, что Вселенная не замедляется в своем расширении, как считалось ранее, а наоборот, ускоряется. Мало того, оказалось, что она входит в режим катастрофического разбегания.
Астрономам пришлось пересмотреть два существовавших прежде сценария, и появилась новая теория. Возможно, Вселенная умрет в процессе так называемого Большого разрыва, при котором ее расширение ускорится до потрясающего уровня. Она будет расширяться так быстро, что ночное небо станет совершенно черным (поскольку свет от соседних звезд не сможет достичь нас) и температура всего приблизится к абсолютному нулю.
При такой температуре жизнь существовать не может.
Движущей силой ускоряющегося расширения является, возможно, то, от чего уже однажды отказался Эйнштейн в 1920-е гг., – космологическая постоянная, энергия вакуума, которую теперь называют темной энергией. Удивительно, но количество темной энергии во Вселенной огромно. Более 68,3 % всей материи и энергии во Вселенной находится в этой загадочной форме. (Вместе темная энергия и темная материя составляют большую часть материи / энергии во Вселенной, но это две разные сущности и путать их друг с другом не следует.)
По иронии судьбы, ни одна из известных теорий не позволяет объяснить все это. Если попытаться просто подсчитать количество темной энергии во Вселенной (опираясь на постулаты теории относительности и квантовой теории), мы получим величину, которая в 10120 раз превосходит реальную! (10120 – это единица со 120 нулями.)
Это, безусловно, самое масштабное расхождение между теорией и экспериментом в истории науки. Да и ставки в этой игре такие, что больше не бывает: на кону конечная судьба самой Вселенной.
Разобравшись в этой проблеме, мы узнаем, как умрет наша Вселенная.
После нескольких десятилетий затишья в области исследований общей теории относительности недавнее применение к ней квантовой теории открыло перед учеными неожиданные горизонты, особенно сейчас, с появлением новых мощных инструментов. На наших глазах появляются все новые и новые направления исследований.
До сих пор мы говорили о применении квантовой механики только к материи, которая движется в гравитационных полях Эйнштейновой теории. Мы не касались гораздо более сложного вопроса – применения квантовой механики к самой гравитации в форме гравитонов.
Именно здесь мы сталкиваемся с величайшей проблемой – с поиском квантовой теории гравитации, десятилетиями ставившим в тупик величайших физиков мира. Прежде всего посмотрим, что нам удалось узнать к настоящему моменту. Мы помним, что при применении квантовой теории к свету было введено понятие фотона – частицы света. При движении фотон окружают электрическое и магнитное поля, которые колеблются, пронизывают пространство и подчиняются уравнениям Максвелла. Именно поэтому свет обладает как корпускулярными, так и волновыми свойствами. Мощь уравнений Максвелла заключается в их симметричности, то есть способности превращать электрическое поле в магнитное и наоборот – магнитное в электрическое.
При столкновении фотона с электронами уравнение, которое описывает это взаимодействие, выдает бесконечные результаты. Однако при помощи фокусов, придуманных Фейнманом, Швингером, Томонагой и другими, мы можем спрятать эти бесконечности. Родившаяся в результате этого теория получила название квантовой электродинамики. Затем мы применили этот метод к ядерному взаимодействию: заменили первоначальное поле Максвелла полем Янга – Миллса, а электрон заменили серией кварков, нейтрино и т. п. На следующем этапе мы применили новый набор фокусов, изобретенных 'тХоофтом и его коллегами, чтобы вновь устранить все расходимости.
Таким образом, три из четырех фундаментальных взаимодействий Вселенной удалось объединить в единую теорию – Стандартную модель элементарных частиц. Эта теория не особенно красива, поскольку собрана из симметрий сильного и слабого ядерных взаимодействий и электромагнитного взаимодействия. Так или иначе, она работала. Однако попытка применить этот опробованный на практике метод к гравитации приводит к проблемам.
Поделиться книгой: