Содержание
Как Вселенная появилась из ничего / Хабр
Некоторое время назад среди космологов и философов науки началось очень активное обсуждение причин существования Вселенной. Да, мы тут ерундой не занимаемся.
Сначала Лоуренс Краусс выпустил новую книгу «Вселенная из ничего. Почему не нужен Бог, чтобы из пустоты создать Вселенную» [A Universe from Nothing: Why There Is Something Rather than Nothing] (основанную, в частности, на популярной лекции, доступной на YouTube), освещающую этот вопрос с точки зрения современного космолога. Затем Дэвид Альберт, современный философ науки, составил разгромную рецензию книги для New York Times. Это обсуждение с тех пор продолжается: интервью Джерри Койн (на стороне Альберта), блог «Философия космологии» Рутгерса, большое интервью с Крауссом в The Atlantic, комментарии Массимо Пиглюччи, ещё один ответ Краусса на сайте Scientific American.
По личным и научным причинам я тоже собирался вставить своё мнение. Происхождение Вселенной – одна из тем моей работы, а Лоуренс и Дэвид – мои друзья и партнёры по блогу.
Содержание
Статья будет большой, поэтому приведу краткое содержание. Грубо говоря, вокруг проблемы «почему что-то существует?» скапливается два вида вопросов. Один из видов, базирующийся на платформе физических законов, достаточно гибкой для того, чтобы позволить существование «чего-то» или «ничего» (причём в понятие «что-то» могут входить и время и пространство), звучит как: почему в истинном проявлении реальности существует всякое? Другой вид вопросов связан с тем, почему у нас есть данная конкретная платформа физических законов, или вообще нечто под названием «физические законы»?
Лоуренс, упрощённо говоря, обращается к первому виду вопросов, а Дэвида интересует второй, и обе стороны тратят много энергии, настаивая на том, что их вопрос более правильный, вместо того, чтобы признать, что эти вопросы отличаются. Ничто в современной физике не объясняет, почему у нас такие законы, а не другие, хотя физики иногда говорят об этом – и этой ошибки они могли бы избежать, если бы серьёзнее воспринимали философов.
Затем обсуждение быстро скатывается до обвинений и рассуждений не о том, а жаль, поскольку эти люди умные и соглашаются по поводу 95% интересных проблем, и шансы на продуктивный диалог постоянно уменьшаются.
Как работает Вселенная
Поговорим о том, как на самом деле устроена физика, по нашим понятиям. Со времён Ньютона парадигма фундаментальной физики не менялась; в неё входит три части. Первое – «пространство состояний»: по сути, список всех возможных конфигураций, в которых может находиться Вселенная. Второе — определённое состояние, представляющее Вселенную в какой-то момент времени, обычно в текущий. Третье – некое правило, по которому Вселенная развивается во времени. Дайте мне Вселенную на сегодня, и законы физики скажут, что станет с ней в будущем. Такой способ мышления не менее верен для квантовой механики или ОТО или квантовой теории поля, чем для ньютоновой механики или максвелловской электродинамики.
Квантовая механика, в частности — особенная, но очень многосторонняя реализация этой схемы.
(Квантовая теория поля – просто определённый пример квантовой механики, а не новый способ мышления). Состояния – это «волновые функции», а набор всех возможных волновых функций определённой системы называется «гильбертовым пространством». Его преимущество в том, что оно сильно ограничивает набор возможностей (потому что это векторное пространство: замечание для экспертов). Как только вы сообщите мне его размер (количество измерений), вы полностью определите ваше Гильбертово пространство. Это кардинально отличается от классической механики, в которой пространство состояний может стать чрезвычайно сложным. А ещё есть машинка – «гамильтониан» – указывающая, как именно развиваться из одного состояния в другое с течением времени. Повторюсь, что разновидностей гамильтонианов бывает не много; достаточно записать определённый список величин (собственных значений энергии – уточнение для вас, надоедливые эксперты).
Необходимо непредвзято подходить к тому, какую форму примут итоговые законы физики, но почти все современные попытки их вывести принимают квантовую механику за истину.
Это верно и для теории струн, и для других подходов к квантовой гравитации – они могут очень сильно отличаться во взглядах на то, из чего состоит «пространство-время» или «материя», но очень редко небрежно обращаются с основами квантовой механики. Это однозначно относится ко всем вариантам, которые рассматривает Лоуренс в своей книге. На этой платформе определение «законов физики» – вопрос выбора гильбертова пространства (для чего, в свою очередь, нужно только определить его размер) и гамильтониана. Одно из прекрасных свойств квантовой механики – насколько она ограничительная; у нас нет большой свободы выбора из видов законов физики. Кажется, что существует большой простор для творчества, поскольку гильбертово пространство может быть очень большим, а простая сущность гамильтониана может быть скрыта нашим усложнённым взаимодействием с окружающим миром, но основной рецепт остаётся неизменным.
Поэтому, что означают разговоры «вселенная из ничего» в рамках этой платформы? Нам по-прежнему необходимо выбрать одну из двух возможностей, но, по крайней мере, этот список из двух пунктов является исчерпывающим.
Возможность первая: время фундаментально
Первая возможность состоит в том, что квантовое состояние Вселенной действительно меняется во времени – то есть, гамильтониан не равен нулю, и он по-настоящему толкает состояние вперёд во времени. Этот случай кажется общим (способов отличаться от нуля больше, чем быть нулевым), и именно на его изучение мы тратим время на вводных курсах, впервые навязывая квантовую механику бесстрашным студентам. Чудесное и недооценённое следствие квантовой механики состоит в том, что если эта возможность окажется верной (Вселенная по-настоящему эволюционирует), время не может начинаться или кончаться – оно продолжается вечно. Совсем не похоже на классическую механику, в которой траектория Вселенной в пространстве состояний может столкнуть её с сингулярностью, в которой время, как предполагается, перестаёт течь. В квантовой механике каждое состояние ничем не хуже любого другого, и эволюция радостно будет продолжать идти.
Так как это относится к вопросу «нечто против ничто»? В процессе эволюции квантового состояния Вселенной она может проходить через фазы, в которых она очень похожа на ничто в общепринятом смысле – то есть, как пустое пространство, или как странная негеометрическая фаза, в которой мы бы вообще не распознали пространство. Позже, посредством неустанного влияния гамильтониана, она может эволюционировать во что-то, что очень похоже на «нечто», даже очень похожее на ту вселенную, что мы видим сегодня. Поэтому если для вас «ничто» – это «пустота» или «отсутствие пространства», то законы квантовой механики дают удобный способ понять, как ничто может превратиться в чудесное нечто, внутри которого мы обнаруживаем себя. Это интересно, и важно, и достойно написания книги, и это одна из возможностей, которую обсуждает Лоуренс.
Возможность вторая: время вторично / приблизительно
Вторая возможность состоит в том, что Вселенная вообще не эволюционирует – гамильтониан нулевой, пространство возможных состояний существует, но мы просто сидим в нём неподвижно, без фундаментального «течения времени».
Вы можете решить, что эта возможность логическая, но не правдоподобная; ведь разве мы не видим, как всё вокруг нас всё время меняется? Но именно в эту возможность вы немедленно уткнётесь, если просто возьмёте классическую ОТО и попытаетесь её квантовать (то есть, изобрести квантовую теорию, сходящуюся к ОТО в классическом пределе). Мы не знаем, правильно ли это – Том Бэнкс, к примеру, считает, что нет – но эта возможность существует, поэтому нам надо подумать о том, что это могло бы значить, если бы оказалось правдой.
Мы, конечно, считаем, что ощущаем течение времени, но, может быть, время – вещь вторичная, а не фундаментальная (мне не кажется правильным использование слова «иллюзорный» в этом контексте, но другие не так осторожны). То есть, возможно, существует альтернативное описание этой одной неподвижной точки гильбертова пространства – описание, примерно похожее на «Вселенная эволюционирует во времени», по крайней мере, на какое-то время. Представьте себе брусок металла, находящийся на горячей поверхности, не эволюционирующий во времени, но с температурным градиентом, распределённым сверху вниз.
Концептуально возможно поделить этот брусок на слои равной температуры, а затем написать уравнение, показывающее, как состояние бруска меняется от слоя к слою, и обнаружить, что получившийся математический формализм похож на «эволюцию во времени». В этом случае, в отличие от предыдущего, время может кончиться (или начаться), поскольку оно изначально было полезным приближением, допустимым при определённых условиях.
Именно такой вариант имеют в виду такие квантовые космологи, как Джеймс Хартл, Стивен Хокинг, Алекс Виленкин, Андрей Линде и другие, говоря про «создание Вселенной из ничего». В этом представлении в истории Вселенной буквально существует момент, до которого других моментов не существовало. Есть граница времени (предположительно, перед Большим взрывом), до которой не было ничего. Ни вещества, ни квантовой волновой функции; не было ничего предыдущего, поскольку понятие «пред-» не имеет смысла. Это тоже интересно, важно, и об этом стоит написать книгу, и это ещё одна из возможностей, о которых рассуждает Лоуренс.
Почему вообще существует Вселенная?
Итак, современная физика выдала нам две эти идеи, довольно интересные, и отзывающиеся на наше неформальное представление о том, как «нечто появляется из ничего». Одна из них говорит об эволюции от пустого пространства (или не-пространства) во Вселенную, полную всякого, а другая говорит о времени, как о примерном понятии, которое оканчивается на какой-то границе в абстрактном пространстве возможностей.
Так на что же нам жаловаться? Если подумать, то такие рассуждения, если принять некое конкретное определение понятия «ничего», могут объяснить, как Вселенная может возникнуть из ничего. Но они не объясняют, и даже не пытаются объяснить, почему нечто существует – почему эта эволюция волновой функции, или почему даже вся эта система «волновых функций» и «гамильтонианов» будет верным способом рассуждать о Вселенной. И, может, вам не интересны эти вопросы, и никто не вправе отнимать у вас права ими не интересоваться; но если подзаголовок вашей книги гласит «почему существует нечто, а не просто нет ничего», вы, по сути, отказываетесь от права не интересоваться этим.
Помогает ли нам развитие современной физики и космологии подойти к этим вопросам о том, почему вообще существует нечто под названием «вселенная», почему существуют такие вещи, как «законы физики», почему эти законы принимают вид квантовой механики, почему именно такая волновая функция и гамильтониан? Коротко говоря, нет. Мне неясно, как они бы могли это сделать.
Иногда физики притворяются, что отвечают на эти вопросы, что очень плохо, поскольку они просто ленятся и не пытаются тщательно подумать об этой проблеме. Вы, к примеру, можете услышать заявления о том, что наши законы физики могут оказаться единственным видом мыслимых законов или простейшим из возможных. Но это явно не так. В рамках платформы квантовой механики существует бесконечное количество возможных гильбертовых пространств и бесконечное количество возможных гамильтонианов, каждый из которых определяет совершенно допустимый набор законов физики. А правильным может быть только один из них, поэтому абсурдно утверждать, что наши законы могут быть единственными возможными.
Призывы к простоте тут тоже не помогают. Вселенная могла бы быть единственной точкой, не меняющейся во времени. Или единым осциллятором, бесконечно колеблющимся туда и сюда. Это было бы очень просто. Как-нибудь может появиться некое определение простоты, по которому наши законы окажутся простейшими, но всегда будут другие, по которым они не такие. В любом случае, мы тогда могли бы задать вопрос, почему законы должны быть простыми? Точно так же заявление «возможно, где-нибудь реальны все физические законы» не отвечает на наш вопрос. Почему реальны все физические законы?
А иногда, с другой стороны, современные космологи говорят о других законах физики в контексте мультивселенной, и предполагают, что нам виден один набор законов, а не другой, по фундаментально антропным причинам. Но это, опять-таки, простая неаккуратность. Мы говорим о низкоэнергетическом проявлении базовых законов, но эти базовые законы одинаковы по всей мультивселенной. У нас всё равно остаётся вопрос о существовании этих глубинных законов, создающих мультивселенную.
Конец объяснений
Все эти вопросы интересно задавать, и не на один из них не отвечает современная физика или космология. Или, по крайней мере, их интересно поднимать, но с моей точки зрения, лучшим ответом будет быстро опустить их обратно. К этому моменту, заметьте, мы уже пришли к чисто философской, а не научной, проблеме.
Вопросы «почему» не существуют в пустоте; они имеют смысл в некоем объяснительном контексте. Если мы спрашиваем «почему курица перешла дорогу?» [популярная тема коротких анекдотов / прим. перев.], мы понимаем, что существуют такие вещи, как дороги, у них есть особые свойства, и у вещей по имени «курицы» есть разные цели и мотивации, и есть вещи, существующие с другой стороны дороги или другие преимущества её перехода. Только в этом контексте можно предложить осмысленный ответ на вопрос «почему». Но Вселенная и законы физики не встроены в какой-то более крупный контекст. Это уже самый крупный из существующих контекстов, насколько мы знаем.
Нет ничего плохого в том, чтобы признать, что последовательность объяснений где-то обрывается, и единственным оставшимся объяснением может быть «просто так всё устроено».
Ну, или нет. Мы должны быть хорошими эмпириками и быть открытыми к возможности того, что то, что мы считаем Вселенной, существует в некоем большем контексте. Но тогда мы, вероятно, переопределим это, как вселенную, и останемся с теми же вопросами. Пока вы признаёте, что у Вселенной есть более одного мыслимого способа существовать, у цепочки объяснений всегда будет конец. Я могу и ошибаться, но настаивать на том, что «вселенная должна объяснить себя», довольно безосновательно.
Звуки и фурии
Вот, что я могу сказать по поводу этих интересных вопросов, но у меня не хватает сил удержаться от парочки замечаний по процедурным моментам.
Во-первых, я думаю, что книга Лоуренса имеет гораздо больше смысла как часть популярных споров «атеизм против теизма», а не как просто тщательное философское исследование старой проблемы.
Послесловие к книге написал Ричард Докинз, а изначально Лоуренс просил об этой услуге Кристофера Хитченса, пока тот ещё не был сильно болен – и оба этих человека, хотя и очень умные, не являются ни космологами, ни философами. Если вы задались целью отвергнуть заявления о необходимости существования (или полезности) Творца в рамках космологической схемы, тогда приведённые рассуждения по поводу «создания из ничего» действительно приходятся к месту. Физическая вселенная прекрасно может быть самодостаточной; ей не нужно ничего и никого снаружи для её запуска, даже если у неё и было «начало». Это не отвечает на классический вопрос Лейбница, но практически нет сомнений в том, что этот факт является примечательным свойством современной физики и имеет интересные последствия для фундаментальной космологии.
Во-вторых, после выхода обзора от Дэвида, Лоуренс неудачно обрушился с критикой на «идиотских философов» и на всю философию в целом, вместо того, чтобы продолжать вести осмысленную дискуссию по интересующим вопросам.
Как большинство учёных, Лоуренс мало что получает от философии науки. Но цель философии не в том, чтобы быть полезной науке, не более, чем у микологии – быть полезной грибам. Философы науки не пытаются заниматься наукой, они пытаются понять, как работает наука, и как она должна работать, выбрать логику и стандарты, лежащие в основе научной аргументации, разместить научное знание в рамках более широкого эпистемологического контекста, и сделать много чего ещё интересного, не притворяющегося наукой. А если вам это не интересно, ну и ладно. Но не стоит пытаться подорвать законность существования области выпадами в её сторону – это глупо и не интеллектуально, и представляет как раз то самое нежелание уважительно спорить с исследователями из другой области, о котором мы сожалеем, когда речь заходит о науке. Жаль, что умные люди, соглашающиеся по поводу большей части важных вещей, не могут не согласиться по поводу всего остального, не размениваясь на оскорбления. Мы должны пытаться быть выше этого.
Подозрительно гладко: Вселенная показалась ученым чересчур однородной
Астрономы обнаружили, что Вселенная более однородна, чем должно быть согласно общепринятой теории. Что это — ошибка наблюдений или дверь в новую физику?
Международная команда ученых получила удивительный результат: галактики разбросаны по космосу более равномерно, чем можно было ожидать исходя из господствующих теорий. Изменят ли новые данные наше представление о Вселенной?
Продукты взрыва
Сегодня практически никто из профессионалов не сомневается, что Вселенная в нынешнем ее виде возникла около 13,8 млрд лет назад в результате Большого взрыва. Биография мира реконструирована с младенчества. Мы знаем, когда образовались первые атомные ядра (уже через несколько минут после Большого взрыва), когда они объединились с электронами в первые атомы (через сотни тысячелетий) и когда зажглись первые звезды (через сотни миллионов лет).
Это не беспочвенные фантазии, а строгие теории, из которых следуют проверяемые факты. Причем многие факты, от реликтового излучения до точного химического состава звезд, были сначала открыты космологами на кончике пера, а уже затем подтверждены наблюдателями (с длинным списком таких подтверждений на английском языке можно ознакомиться здесь). Именно такие сбывшиеся прогнозы в науке служат главным признаком того, что теория работает.
При этом слово «теория» не должно вводить в заблуждение. Для ученых оно означает не нечто неподтвержденное, предполагающее возможные альтернативы, а просто модель, увязывающую между собой установленные факты и предсказывающую еще не установленные. Выражение «теория Большого взрыва» не означает, что Большой взрыв — это нечто сомнительное, так же как выражение «теория твердого тела» не означает, что кто-то сомневается в существовании твердых тел (кстати, примерно так же дело обстоит с биологическим термином «теория эволюции»).
Темные тайны
На сегодняшний день в космологии заслужено господствует Стандартная космологическая модель, она же ΛCDM-модель. Эта конструкция объединяет представления о Большом взрыве и расширении Вселенной с данными о таинственных субстанциях — темной материи и темной энергии.
Напомним, что темная материя представляет собой невидимое ни в какие телескопы вещество, которое проявляет себя только своей гравитацией. Сам факт существования темной материи установлен достаточно надежно, но вот ее природа загадочна. Несомненно, некоторую ее часть составляют очень тусклые астрономические объекты (холодный газ, черные дыры и так далее). Однако большинство специалистов считает, что львиная доля темной материи приходится на те или иные экзотические частицы, еще не открытые физиками-экспериментаторами, и вот это уже скорее популярная гипотеза, чем доказанный факт.
Темная энергия — это нечто, что придает расширению Вселенной ускорение.
Именно за ее открытие Брайану Шмидту и Адаму Риссу в 2011 году была вручена Нобелевская премия по физике.
Сам факт ускоренного расширения Вселенной надежно установлен несколькими способами. Но о том, что собой представляет обеспечивающая его темная энергия, можно спорить. На данный момент теоретики считают, что это некое свойство вакуума.
Итак, ΛCDM-модель объединяет прекрасно проверенные концепции (Большой взрыв, расширение Вселенной, синтез первых атомных ядер, факт существования темной материи и темной энергии и многое другое) с хорошо аргументированными, но все-таки еще не доказанными гипотезами (например, о природе темной материи и темной энергии). Кое-где в ней есть и просто белые пятна, заполненные наиболее правдоподобными предположениями.
Это нормальная ситуация для научной теории. Только в религии и идеологии встречаются доктрины, в которых каждая буква провозглашается одинаково несомненной.
Все ли гладко во Вселенной?
Одна из важных концепций стандартной космологии — идея затравочных неоднородностей. Специалисты считают, что уже в первые мгновения жизни Вселенной вещество было распределено в пространстве не вполне равномерно. Более плотные скопления материи порождали и более сильную гравитацию. Это тяготение собирало вокруг неоднородности все новые массы вещества. От этого притяжение еще усиливалось, и так далее по замкнутому кругу. В конце концов вокруг крошечной изначальной флуктуации плотности возникала галактика, окруженная пустотой (точнее, чрезвычайно разреженным межгалактическим газом).
Впрочем, галактики — не самые впечатляющие объекты, возникшие из затравочных неоднородностей. «Зведные острова» объединены в скопления, а те — в сверхскопления. Из скоплений галактик состоят самые большие во Вселенной структуры — так называемые волокна (филаменты). Они образуют своего рода паутину или пчелиные соты, заполняющие пространство.
Промежутки между волокнами — это пустоты (войды), в которых почти нет галактик.
При этом все достаточно большие (от сотен миллионов до миллиардов световых лет) участки этой паутины похожи друг на друга как две капли воды. Если вы видели один такой регион космоса, вы видели их все. Это свойство называется крупномасштабной однородностью Вселенной.
Но ученые не довольствуются избитыми сравнениями. Они измеряют однородность космоса количественно. Эта величина может многое рассказать о том, как устроен мир.
Дело в том, что у космологов есть два способа восстановить рисунок затравочных неоднородностей. Во-первых, они наблюдают циклопическую паутину волокон и войдов, которая в конце концов образовалась благодаря этим флуктуациям. А во-вторых, к услугам астрономов реликтовое излучение.
Это излучение отделилось от вещества еще в эпоху образования первых атомов. Но оно все еще хранит в себе следы того, как материя была распределена по космосу в те далекие времена.
Реликтовое излучение неоднородно, потому что неоднородным было испустившее его вещество. Это привет пытливому человечеству от первых сотен тысяч лет истории Вселенной.
Следует отметить, что за открытие реликтового излучения тоже была присуждена Нобелевская премия по физике (Арно Пензиасу и Роберту Вильсону в 1978 году), и отдельной «нобелевки» в 2006 году удостоились первооткрыватели неоднородностей этого излучения Джон Мазер и Джордж Смут.
Когда у ученых есть два способа измерить одну и ту же величину, самое время сопоставить результаты. ΛCDM-модель предсказывает, как должны быть связаны между собой неоднородности реликтового излучения и степень (не-)однородности нынешней Вселенной с ее волокнами и войдами. Вот здесь и выяснился очень и очень интересный факт.
Ошибка или открытие?
Недавно международная команда исследователей из 18 научных центров направила в престижный журнал Astronomy & Astrophysics научную статью, препринт которой имеется в открытом доступе.
В двух словах результат таков: современная Вселенная оказалась на 8% более однородной, чем ей следует быть согласно данным о реликтовом излучении. Это может говорить либо о неточностях измерений, либо о том, что в ΛCDM-модель пора вносить изменения.
Астрономы использовали данные обзора Kilo-Degree Survey (KiDS-1000), охватившего более 31 миллиона галактик на расстояниях до 10 млрд световых лет от Земли. Эти сведения авторы дополнили информацией из обзора 2-degree Field Lensing Survey (2dFLenS), в рамках которого наблюдалось более 70 тысяч объектов на тех же дистанциях. Также ученые обратились к обзору Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS), включающему данные о более чем 1,5 млн галактик на удалении до 8 млрд световых лет.
Сопоставив все эти сведения, специалисты вычислили степень однородности Вселенной. И оказалось, что она на 8,3±2,6% больше, чем ожидалось исходя из свойств реликтового излучения.
Насколько надежны эти цифры? Ведь каждый результат измерения теоретически может оказаться ложной тревогой, продуктом небольших, но неизбежных случайных шумов в исходных данных.
Достоверность нового результата составляет 2 или 3 сигмы (в зависимости от способа расчета). Это значит, что вероятность его «шумовой» природы составляет либо 5% (при достоверности 2 сигмы), либо 0,2% (при достоверности 3 сигмы). По строгим научным стандартам такие цифры не позволяют уверенно заявлять об открытии. Есть примеры результатов с достоверностью 2–3 сигмы, которые при более точных измерениях рассеивались как дым.
Таким образом, обнаруженную излишнюю однородность Вселенной еще нельзя считать достоверно установленным фактом. Нужны расчеты, основанные на еще более обширных данных. Тогда, возможно, выяснится, что мы узнали нечто принципиально важное о мире, в котором живем, и космологи будут вынуждены внести коррективы в свои теории.
Что было до Большого Взрыва?
Это самый фундаментальный вопрос космологии: как возникла Вселенная?
Этот вопрос предполагает, что у Вселенной была фактическая отправная точка, но с таким же успехом можно предположить, что Вселенная всегда была и всегда будет.
В этом случае не было бы никакого начала — просто постоянно развивающаяся история, которую мы видим лишь мельком.
«У нас есть очень веские доказательства того, что Большой Взрыв был, поэтому вселенная, какой мы ее знаем, почти наверняка началась около 14 миллиардов лет назад. Но было ли это абсолютным началом или что-то было до него?» — спрашивает Александр Виленкин, космолог из Университета Тафтса недалеко от Бостона. Кажется, что это вопрос, на который никогда нельзя дать правильный ответ, потому что каждый раз, когда кто-то предлагает решение, кто-то другой может продолжать задавать раздражающий вопрос: что произошло до этого?
Но теперь Виленкин говорит, что у него есть убедительные доказательства: у Вселенной было отчетливое начало, хотя он не может точно определить время. По его словам, после 35 лет оглядки назад он обнаружил, что до нашей Вселенной не было ничего, совсем ничего, даже самого времени.
На протяжении всей своей карьеры, в том числе 20 с лишним лет, когда он руководил Институтом космологии Тафтса, Виленкин выдвинул ряд диких, ослепительных идей, хотя со стороны он не выглядит ни диким, ни ослепительным.
64-летний профессор тихий, подтянутый и скромного телосложения. Он одет аккуратно, в нейтральных, сдержанных тонах, которые не привлекают к нему внимания.
Несмотря на сдержанную манеру поведения, граничащую с подавленностью, Виленкин — творческая сила, которая постоянно находит способы рассеять туман, окружающий одни из самых густых затруднений, какие только можно вообразить, — триумфы, которые заслужили ему уважение ученых всего мира. «Алекс — очень оригинальный и глубокий мыслитель, внесший важный и глубокий вклад в наши представления о сотворении Вселенной», — говорит космолог из Стэнфорда Андрей Линде.
Но этой блестящей карьеры могло и не случиться. Родился в СССР в 1949 лет, выросший в украинском городе Харькове, Виленкин увлекся космологией в старшей школе, прочитав о Большом взрыве книгу сэра Артура Эддингтона. Эта «одержимость» происхождением Вселенной, говорит Виленкин, «никогда не покидала меня. Я чувствовал, что если вы можете работать над этим вопросом, который может быть самым интригующим из всех, почему вы решили работать над чем-то еще?»
Будучи студентом Харьковского национального университета, Виленкин говорит, что ему посоветовали «заняться настоящей физикой», а не заниматься своей первой любовью — космологией.
Хотя он был отличником, он не мог поступить ни в одну аспирантуру по физике, потому что, как он подозревает, КГБ занес его в черный список за отказ стать правительственным осведомителем. Вместо этого Виленкин был вынужден выполнять ряд рутинных работ. Некоторое время он преподавал в вечерней школе для взрослых, но ушел с этой должности, потому что в его обязанности входило посещение домов отсутствующих, многие из которых были алкоголиками, чтобы попытаться затащить их в школу — незавидная задача.
Около полутора лет был ночным сторожем, в том числе в Харьковском зоопарке. Для защиты животных (на которых иногда охотились ради еды) ему дали ружье, которым он не умел пользоваться и, к счастью, никогда не стрелял. Когда у него было свободное время в течение этих долгих ночей, Виленкин изучал физику, что включало в себя чтение четырехтомного собрания сочинений Альберта Эйнштейна. Его уволили с этого прекрасного задания, когда кто-то решил — возможно, основываясь на его выборе материала для чтения — что он слишком квалифицирован для поставленной задачи.
Перспективы трудоустройства выглядели безрадостно, и он решил эмигрировать в Соединенные Штаты; он решил, что начнет мыть посуду, пытаясь проникнуть в академические круги. Но для выезда из Советского Союза требовался тщательно продуманный план: таким евреям, как он, разрешалось выезжать в Израиль в небольшом количестве, определяемом квотой, но сначала нужно было получить приглашение от израильских родственников. У Виленкина не было там настоящих родственников, поэтому он связался с другом, который знал людей в Израиле, и в конце концов нашел кого-то — незнакомого ему человека — достаточно любезного, чтобы написать письмо от его имени.
После того, как письмо пришло, он целый год ждал визы, но это обошлось ему слишком дорого. Прежде чем Виленкин и его жена смогли уехать, их родители должны были дать согласие на переезд. За то, что они дали свое разрешение, родители его жены лишились работы в лаборатории. Его отец, профессор университета, позже тоже потерял работу. Традиционной остановкой на пути в Израиль была Вена, но оттуда Виленкин, его жена и годовалая дочь вместо этого отправились в Рим, прибыв туда в 1976 году.
Они встретились с консульством США в Риме и после трехмесячного ожидания, наконец получили визу в США
Назад к Большому Взрыву
Осенью 1977 года Виленкин занял постдокторскую должность в Case Western Reserve, где он должен был изучать электрические свойства нагретых металлов. Тем не менее, он нашел время, чтобы поразмышлять о вращающихся черных дырах и их загадочных магнитных полях. Год спустя ему повезло, когда Тафтс предложил ему годичный гостевой пост. Он рискнул, погрузившись в космологию, область, которая в то время считалась второстепенной.
Это скоро изменится. В конце 1979, постдоктор физики из Стэнфорда по имени Алан Гут предложил объяснение взрывной силы Большого Взрыва. Интеллектуальный скачок Гута проистекает из теорий физики элементарных частиц, которые утверждали, что при чрезвычайно высоких энергиях — намного выше, чем когда-либо может быть достигнуто в лаборатории — особое состояние материи переворачивает гравитацию с ног на голову, делая ее отталкивающей, а не притягивающей силой.
Участок пространства, содержащий крошечную частицу этого необычного вещества, может оттолкнуться так сильно, что буквально взорвется. Гут предположил, что мощный взрыв такого рода спровоцировал Большой взрыв, быстро расширив Вселенную настолько, что она удвоилась по крайней мере в 100 раз. Однако этот экспоненциальный всплеск роста, называемый космической инфляцией, был недолгим и длился всего крошечную долю секунды, потому что отталкивающий материал быстро распадался, оставляя после себя более знакомые формы материи и энергии, которые сегодня заполняют Вселенную.
Идея одновременно решила ряд космологических загадок. Она объяснила, откуда взялся «взрыв», стоящий за Большим взрывом, и как космос стал таким большим. Быстрое расширение во всех направлениях также объясняет, почему Вселенная, которую мы сейчас наблюдаем, так однородна и почему температура фонового излучения, оставшегося от того первобытного взрыва, одинакова на каждом участке неба с точностью до одной стотысячной.
Инфляция также вдохнула новую жизнь в космологию, предоставив таким теоретикам, как Виленкин, пищу для размышлений — и немного больше респектабельности в придачу.
Бесконечная история
К 1982 году, через пару лет после прорыва Гута, Виленкин осознал: процесс инфляции должен быть вечным, а это означает, что однажды начавшись, он уже никогда полностью не остановится. Инфляция может резко прекратиться в одной области пространства, например той, в которой мы живем, но продолжится в другом месте, вызвав бесконечную серию больших взрывов. Каждый взрыв будет соответствовать рождению отдельной «карманной» вселенной, которую можно представить в виде расширяющегося пузыря — одного из бесчисленных пузырей, плавающих внутри «мультивселенной», как ее иногда называют.
По мнению Виленкина, вечная природа инфляции проистекает из двух конкурирующих свойств космического топлива, гравитационно-отталкивающего материала, который заставляет Вселенную быстро расширяться. С одной стороны, материал был нестабилен, как и радиоактивные вещества, а потому обречен на распад.
С другой стороны, материал расширялся намного быстрее, чем распадался, так что даже если распад мог остановить инфляцию в одних регионах, в других продолжался стремительный рост.
(Фото: Роэн Келли/Discover)
В качестве аналогии Виленкин предлагает сгусток бактерий, которые хотят продолжать размножаться и расти, в то время как убивающие бактерии антитела пытаются ограничить этот рост. Если бактерии размножаются намного быстрее, чем уничтожаются, они будут быстро размножаться и распространяться, даже если их размножение может быть сорвано в некоторых кругах. С какой бы стороны вы ни посмотрели на это, конечным результатом будет то, что инфляция (или рост бактерий) никогда не прекращается везде одновременно и всегда происходит в какой-то части мультивселенной — даже когда вы читаете этот журнал.
Чтобы лучше понять это явление, Виленкин в 1986 году объединился с аспирантом Тафтса Мукундой Арьялом для компьютерного моделирования, которое показало, как может выглядеть вечно расширяющаяся Вселенная.
В их симуляции надувающиеся области или пузыри начинались с малого и постепенно росли, в то время как пространство между пузырьками также растягивалось. Каждый пузырь — представляющий мини-вселенную, подобную нашей, — был окружен меньшими пузырьками, которые, в свою очередь, были окружены еще меньшими пузырьковыми вселенными.
Дорога в вечность
В бурлящей вселенной Виленкина инфляция по определению была вечной в будущем. Однажды начавшись, он не остановится. Но было ли оно также вечным в прошлом? Было ли когда-нибудь время, когда Вселенная не раздувалась? И если Вселенная всегда раздувается и всегда расширяется, значит ли это, что сама Вселенная вечна и не имеет начала?
Чтобы ответить на этот вопрос, Виленкин объединил усилия с Гутом и математиком из Университета Лонг-Айленда Арвиндом Борде. Используя математическое доказательство, они утверждали, что любая расширяющаяся Вселенная, подобная нашей, должна иметь начало. Мысленный эксперимент, который они поставили, состоял в следующем: представьте вселенную, наполненную частицами.
По мере его неуклонного расширения расстояние между частицами увеличивается. Из этого следует, что наблюдатели, разбросанные по этой расширяющейся Вселенной, будут удаляться друг от друга, пока, в конце концов, они не займут широко разбросанные области пространства. Если бы вы оказались одним из таких наблюдателей, то чем дальше от вас находился объект, тем быстрее он удалялся бы.
Теперь добавим сюда космического путешественника, движущегося в космосе с фиксированной скоростью: он пролетает мимо Земли со скоростью 100 000 километров в секунду. Но когда он достигнет следующей галактики, которая удаляется от нас, скажем, со скоростью 20 000 километров в секунду, тамошним наблюдателям он покажется движущимся со скоростью всего 80 000 километров в секунду. По мере того как он продолжает свое путешествие наружу, скорость космического путешественника будет казаться все меньше и меньше наблюдателям, мимо которых он проходит. Теперь прокручиваем фильм в обратном порядке. На этот раз скорость космического путешественника будет казаться все быстрее и быстрее в каждой последующей галактике.
Если предположить, что инфляция вечна в прошлом — что у нее не было начала — космический путешественник в конце концов достигнет скорости света и превзойдет ее. Расчет Борде, Гута и Виленкина показал, что это произойдет за конечное время. Но согласно законам относительности, любой массивный объект не может достичь скорости света, не говоря уже о том, чтобы превысить ее. «Этого не может быть, — говорит Виленкин. «Поэтому, когда вы проследите историю этого космического путешественника в прошлое, вы обнаружите, что его история подошла к концу».
Тот факт, что путешествие путешественника назад во времени заходит в тупик, означает, что с логической точки зрения существует проблема с предположением о постоянно расширяющейся Вселенной, на котором основан весь этот сценарий. Иными словами, Вселенная не могла всегда расширяться. Его расширение должно было иметь начало, и инфляция — особенно взрывоопасная форма космического расширения — тоже должна была иметь начало. Следуя этой логике, наша Вселенная также имела начало, поскольку она была порождена инфляционным процессом, который вечен в будущем, а не в прошлом.
Что-то из ничего
Вселенная с началом вызывает неприятный вопрос: как же она началась? Ответ Виленкина никоим образом не подтвержден и, возможно, никогда не будет подтвержден, но это все же лучшее решение, которое он слышал до сих пор: может быть, наша фантастическая, славная вселенная спонтанно возникла из ничего. Это еретическое утверждение противоречит здравому смыслу, который, по общему признанию, подводит нас, когда мы говорим о рождении вселенной, событии, которое, как считается, произошло при непостижимо высоких энергиях. Это также бросает вызов римскому философу Лукрецию, который более 2000 лет назад утверждал, что «ничто не может быть создано из ничего».
Конечно, Лукреций никогда не слышал о квантовой механике и инфляционной космологии, областях 20-го века, которые оспаривают его смелое заявление. «Обычно мы говорим, что ничто не может быть создано из ничего, потому что мы думаем, что это нарушит закон сохранения энергии», — объясняет священный принцип физики, согласно которому энергию нельзя ни создать, ни уничтожить, — объясняет Виленкин.
Так как же вы могли создать вселенную с материей там, где раньше ничего не было?
«Способ, которым Вселенная решает эту проблему, заключается в том, что гравитационная энергия отрицательна», — говорит Виленкин. Это следствие математически доказанного факта, что энергия замкнутой Вселенной равна нулю: энергия материи положительна, энергия гравитации отрицательна, и их сумма всегда равна нулю. «Поэтому создание замкнутой Вселенной из ничего не нарушает никаких законов сохранения».
Расчеты Виленкина показывают, что вселенная, сотворенная из ничего, скорее всего, будет очень маленькой — намного, намного меньше, чем, скажем, протон. Если это крошечное царство будет содержать лишь небольшое количество материала с отталкивающей гравитацией, этого достаточно, чтобы гарантировать, что он зажжет неудержимый процесс вечной инфляции, ведущий к Вселенной, в которой мы живем сегодня. Если теория верна, мы обязаны своим существованием самому скромному происхождению: самому ничему.
Одно из достоинств этой картины, если она верна, состоит в том, что спонтанное создание нашей вселенной дает вещам определенную отправную точку.
Время начинается в момент творения, кладя конец потенциально бесконечным вопросам о том, «что было до этого».
Тем не менее, объяснение по-прежнему оставляет без внимания огромную загадку. Хотя вселенная в схеме Виленкина может возникнуть из ничего в том смысле, что не существует ни пространства, ни времени, ни материи, что-то существует заранее, а именно законы физики. Эти законы управляют моментом творения «нечто из ничего», порождающим нашу вселенную, а также управляют вечной инфляцией, которая происходит в первую наносекунду времени.
В связи с этим возникают некоторые неудобные вопросы: где находились законы физики до того, как появилась Вселенная, к которой их можно было применить? Существуют ли они независимо от пространства и времени? «Это великая загадка, откуда взялись законы физики. Мы даже не знаем, как к этому подступиться», — признается Виленкин. «Но до того, как пришла инфляция, мы даже не знали, как подойти к вопросам, которые инфляция позже решила. Так что, кто знает, может быть, мы преодолеем и этот барьер».
В фильме Клинта Иствуда «Магнум Форс» Гарри Каллахан говорит: «Человек должен знать свои пределы», но работа Виленкина является свидетельством выхода за традиционные рамки. Если мы проявим настойчивость перед лицом скептицизма и сомнений, как часто склонен делать Виленкин, вполне могут возникнуть интересные и неожиданные идеи — как вселенная, возникающая из ниоткуда.
Устранение лазеек
Лазейка #1
Чтобы подкрепить свою гипотезу, Виленкин изучил другие модели вселенных, устранив лазейки, противоречащие идее явного космического дебюта. В статье 2012 года с аспиранткой Тафтса Одри Митани Виленкин исследовал «циклическую» вселенную, которую исследовали физики Пол Стейнхардт из Принстонского университета и Нил Турок, которые сейчас работают в Институте периметра.
В этой модели нет ни единого Большого Взрыва, ни единого начала. Вместо этого Вселенная постоянно проходит колебательные циклы расширения, сжатия, коллапса и нового расширения.
Загвоздка в том, что циклическая Вселенная сталкивается со вторым законом термодинамики, согласно которому энтропия, или беспорядок, замкнутой системы неизбежно будет увеличиваться с течением времени.
Classic Cyclic Universe (Источник: Roen Kelly/Discover)
Например, богато украшенный кирпичный особняк строго упорядочен, тогда как груда кирпичей, разбросанная по земле — результат разрушительного действия природы и десятилетий или столетий пренебрежения — является более неупорядоченным. А кирпичная пыль, разносимая ветром и водой после того, как сами кирпичи испортились, еще более неупорядочена. Предоставленная сама по себе, система — даже пузырьковая вселенная — естественным образом пойдет по этому пути. Мы не часто видим кирпичный особняк, самопроизвольно собирающийся из разбросанной пыли.
Если бы наша Вселенная существовала вечно и сохраняла стабильный размер, она тоже поддалась бы второму закону. Беспорядок неумолимо увеличился бы до такой степени, что Вселенная теперь превратилась бы в сглаженное, невыразительное пятно.
Но это совсем не то, что мы видим. Вместо этого мы видим Вселенную, заполненную грандиозными космическими структурами — галактиками, скоплениями галактик, скоплениями скоплений, называемыми сверхскоплениями, и скоплениями сверхскоплений, называемыми галактическими нитями — некоторые из последних простираются на миллиард или более световых лет в поперечнике.
Модифицированная циклическая вселенная (Источник: Roen Kelly/Discover)
По этой причине Виленкин исключает картину циклической вселенной, если только не сделать дополнительное предположение, что после каждого цикла расширения и сжатия Вселенная становится несколько больше, чем когда она начал. Оговорка оставила бы нам еще одну расширяющуюся вселенную, а это означает, что первоначальная теорема Борда-Гута-Виленкина по-прежнему применима: вечно расширяющаяся вселенная должна иметь единое начало.
Лазейка №2
Еще одна возможная лазейка — это сценарий «космического яйца», модель вселенной, предложенная, среди прочих, южноафриканским космологом Джорджем Эллисом.
Согласно этой точке зрения, Вселенная может вечно находиться в стабильной конфигурации с фиксированными размером и радиусом, пока она внезапно не начнет расширяться — подобно вылупившемуся яйцу после исключительно долгой фазы инкубации.
Теория космического яйца. (Источник: Roen Kelly/Discover)
Проблема с этим предположением, согласно Виленкину и Митани, заключается в том, что маленькая «стабильная» вселенная не так уж и стабильна. Когда-нибудь во время фазы долгого ожидания он рухнет в небытие, прежде чем достигнет экспансионистского периода — то есть, если верить законам квантовой механики.
Квантовая механика, преобладающая область физики для описания того, как вещи работают в атомных масштабах, превосходно проверена и чрезвычайно странна. Квантовая механика утверждает, что если есть хоть малейший шанс, что что-то произойдет, как бы абсурдно это ни звучало, это обязательно произойдет, если вы подождете достаточно долго.
Как оказалось, формулы квантовой механики предсказывают небольшой (но ненулевой) шанс того, что космическая яйцевидная Вселенная схлопнется до нулевого размера, после чего бывшая Вселенная полностью исчезнет.
Учитывая бесконечный промежуток времени, к которому призывает сценарий космического яйца, такой коллапс был бы неизбежен — даже несмотря на то, что вероятность того, что он произойдет в любой момент времени, мала — подразумевает, что Вселенная не могла существовать вечно.
Действительно, говорит Виленкин, среди всех идей, которые мы придумали для вселенной без начала, ни одна не работает. «Поэтому ответ на вопрос, было ли у Вселенной начало, — да, вероятно, было».
Первоначально эта статья появилась в печати под названием «Отправная точка».
Большой взрыв: как была создана Вселенная
Загрузка
Наука и окружающая среда | Вселенная
Большой взрыв: как была создана Вселенная
Что создало все планеты, звезды и галактики? BBC Future представляет четырехминутный анимированный путеводитель по одному из величайших вопросов, которые мы пытались решить.
«Вы просто не поверите, насколько огромно, огромно, умопомрачительно большое пространство», — сказал писатель Дуглас Адамс.
«Я имею в виду, вы можете подумать, что до аптеки далеко, но это пустяки по сравнению с космосом». По нашим лучшим оценкам, в Млечном Пути около 100 миллиардов звезд и не менее 140 миллиардов галактик во Вселенной. Если бы галактики были замороженным горошком, их было бы достаточно, чтобы заполнить аудиторию размером с Королевский Альберт-холл.
Так как же была создана эта невообразимо гигантская Вселенная? На протяжении веков ученые думали, что Вселенная всегда существовала в основном в неизменном виде, работая как часы благодаря законам физики. Но бельгийский священник и ученый по имени Жорж Леметр выдвинул другую идею. В 1927 году он предположил, что Вселенная началась с большого, беременного и первобытного атома, взорвавшегося и испустившего более мелкие атомы, которые мы видим сегодня.
Его идея осталась практически незамеченной. Но в 1929 году астроном Эдвин Хаббл обнаружил, что Вселенная не статична, а на самом деле расширяется. Если это так, некоторые ученые рассудили, что если перемотать жизнь Вселенной, то в какой-то момент она должна была существовать как крошечная плотная точка.
Критики отмахнулись от этого: знаменитый астроном Фред Хойл саркастически назвал эту концепцию теорией «Большого взрыва» — фраза, которую позднее переняли ее сторонники.
Невзирая на скептиков, ученые Ральф Альфер, Джордж Гамов и Роберт Херман предсказали, что если Большой Взрыв имел место, то где-то во Вселенной должно сохраняться слабое послесвечение, и мы теоретически должны быть в состоянии обнаружить его. Для этого потребовалось бы одно из самых больших состояний в науке.
В середине 1960-х астрономы Арно Пензиас и Роберт Уилсон с трудом пытались настроиться на микроволновые сигналы, передаваемые из Млечного Пути. Радиоантенна, которую они использовали, постоянно улавливала слабое шипение радиопомех. Переустановка антенны не помогла избавиться от шума. Не мог он и убрать голубей, насестившихся там, или их беспорядок. Это потому, что шипение, которое они так старались удалить, было эхом Большого Взрыва или Космического Микроволнового Фонового излучения, как его называют.
Если теория Большого Взрыва верна, то как она привела к появлению всех планет, звезд и галактик, которые мы видим сегодня? Благодаря серии расчетов, наблюдений с помощью телескопов на Земле и космических зондов наше лучшее объяснение таково.
Около 13,8 миллиардов лет назад вся материя во Вселенной возникла из одной крошечной точки или сингулярности в результате мощного взрыва. Он расширялся с поразительно высокой скоростью и температурой, удваиваясь в размерах каждые 10-34 секунды, создавая пространство при быстром раздувании. В течение крошечной доли секунды были сформированы гравитация и все остальные силы. Энергия превратилась в частицы материи и антиматерии, которые в значительной степени уничтожили друг друга. Но, к счастью для нас, кое-что уцелело. Протоны и нейтроны начали формироваться в течение первой секунды; за считанные минуты эти протоны и нейтроны могли слиться и образовать ядра водорода и гелия. Спустя 300 000 лет ядра смогли, наконец, захватить электроны и сформировать атомы, заполнив Вселенную облаками газообразного водорода и гелия.