Дэйв Голдберг - Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, антивещество и бозон Хиггса
Очень легко забыть о том, как недружелюбно вселенная в целом относится к жизни, и предположить, будто все планеты и все эпохи в истории мироздания похожи на наши. По крайней мере некоторые наши предположения о том, что мы можем обнаружить в глубинах космоса, отражают инопланетяне из кино. Даже те, кто не метр восемьдесят ростом (плюс-минус) и не напоминает гуманоида хотя бы смутно, все равно обладают двусторонней симметрией, и потребности и желания у них примерно такие же, как у нас, и разум (несмотря на дополнительные миллиарды лет эволюции) более или менее человеческий.
Чарльз Дарвин еще в XIX веке в своих работах весьма убедительно доказал, что люди были не всегда, а вскоре после него геологические данные продемонстрировали, что возраст Земли тоже имеет свои пределы. Эйнштейну об этом, конечно, было известно, однако в начале XX века мы не знали о вселенной еще очень и очень многого.
Лишь в 1920 году сэр Артур Эддингтон (тот самый, который считал, что теорию относительности понимают лишь они с Эйнштейном) обнаружил, что Солнце и другие звезды горят благодаря термоядерному синтезу. Разумеется, он не смог бы сделать это открытие, если бы Эйнштейн не открыл эквивалентность массы и энергии. Без этих ключевых доказательств у нас не было бы никакой возможности вычислить возраст Солнца, не говоря уже о вселенной.
В 1924 году, спустя девять лет после того, как Эйнштейн выдвинул общую теорию относительности, Эдвин Хаббл открыл, что Млечный Путь — не единственная галактика (или «туманность», как он ее назвал) во вселенной. Прошло еще пять лет — и Хаббл обнаружил, что почти все галактики во вселенной разбегаются от нас, причем чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется. Это несомненный признак, что вселенная расширяется — а следовательно, у нее было начало.
Эйнштейнова модель стационарной вселенной все равно была несостоятельна. Даже если бы космологическая постоянная идеально удерживала вселенную от расширения или коллапса, маленькие участки вселенной все равно бы схлопывались. Модель в целом была крайне нестабильной.
Открытие Хаббла не смутило и не обескуражило, а восхитило Эйнштейна:
Сотрудники обсерватории Маунт-Уилсон — поистине выдающиеся ученые! Недавно они обнаружили, что спиральные туманности распределены в пространстве приблизительно равномерно, и показали наличие сильного эффекта Допплера, пропорционального расстоянию до туманностей, который можно уверенно вывести из общей теории относительности без «космологического» слагаемого.
Однако не все так радовались идее начала вселенной. Фред Хойл, который, кстати, первым употребил выражение «Большой взрыв» в насмешку над этой теорией, а получилось, что он создал общепринятый термин, и его единомышленники пытались развенчать модель Большого взрыва, предложив вместо нее стационарную модель, согласно которой вселенная и в самом деле расширяется, однако постоянно создается новое вещество, чтобы заполнить пустоты. И это совсем не такая дурацкая мысль, как вам, вероятно, показалось на первый взгляд.
Не забывайте, как пуста вселенная в среднем — а значит, модель стационарной вселенной Хойла предполагает, что нужно создавать лишь самую малость дополнительной энергии. За все время жизни нашего Солнца объем пространства размером с Землю был бы должен выработать лишь пару миллиграммов вещества. Право слово, вы этого и не заметили бы.
Сложность со стационарной моделью Хойла состояла в том, что нет причин предполагать, что вещество действительно постоянно создается. Более того, в наши дни стало возможным изучить историю вселенной (то есть наблюдать объекты на разных расстояниях от Земли), и у нас нет никаких сомнений, что вселенная в целом меняется.
В последние два десятка лет наблюдения далеких вспышек сверхновых продемонстрировали, что вселенная не просто расширяется, но еще и ускоряется — именно этого мы могли бы ожидать, если бы во вселенной была большая космологическая постоянная. Теперь это принято называть темной энергией, однако суть осталась более или менее прежней: во вселенной есть какое-то постоянное всепроникающее течение, которое, судя по всему, противодействует гравитации. Это потрясающе важный вывод — настолько, что Сол Перлмуттер, Брайан Шмидт и Адам Рисс, руководители групп, которые к нему пришли, в 2011 году были удостоены Нобелевской премии по физике.
У концепции ускорения вселенной есть несколько интересных следствий. Вселенная будет расширяться вечно и при этом все сильнее остывать — в сущности, беспредельно. Звезды сгорят. Некоторые превратятся в черные дыры, но и те в конце концов испарятся. Протоны (теоретически) распадутся и превратятся в излучение, а излучение по всей вселенной будет все больше рассеиваться и становиться все холоднее и холоднее.
Итак, будущее вселенной холодно и неприглядно, а прошлое — адский круговорот хаоса и огня. Мы и в самом деле живем в особенно благоприятный момент в ее истории.
Но если вселенная различает прошлое и будущее, из этого не обязательно, что их различают законы физики. Может быть, различают, а может быть, и нет. Давайте разберемся.
Окло
Одно из наших самых фундаментальных предположений гласит, что законы физики не меняются со временем, даже если меняются наблюдаемые последствия их действия. Но вы же знаете, что бывает, если неосторожно что-нибудь предположишь.
Нам всегда следует учитывать возможность, что законы меняются, просто при этом они как-то подстраиваются друг к другу таким образом, чтобы создавать у вас идеальную иллюзию, будто они не меняются. Ну, словно бы кто-то закопал у вас в саду кости динозавра, чтобы создать иллюзию, будто землю когда-то населяли исполинские ящеры. Как бы это ни было маловероятно.
Мы живем именно сейчас, и любой эксперимент, какой только способны произвести люди, может длиться лишь несколько сотен лет из 13,8 миллиардов лет существования вселенной. Даже если законы физики меняются, сомнительно, чтобы они менялись так быстро, что мы, жалкие людишки, успели бы это непосредственно зарегистрировать.
А значит, утверждения о неизменной природе физических законов обязательно должны опираться на эти самые физические законы, чтобы строить предположения о прошлом. Правда, в конечном итоге модели прошлого создают картину на удивление непротиворечивую. Я со своей стороны вполне удовлетворен подобного рода аргументами. Очень трудно делать абсолютно непротиворечивые предположения, которые приводят к непротиворечивым выводам: так бывает только в том случае, если предположения верны.
Очень трудно, но все же, наверное, возможно.
Иногда природа сама проводит эксперименты, которые позволяют получить однозначный ответ о неизменности законов физики. Одна из таких природных «установок» была обнаружена в 1971 году в деревне Окло в Габоне. Французы уже давно добывали в Габоне уран, но тут геологи обнаружили не что-нибудь, а древний ядерный реактор — иначе и не скажешь.
Под словом «древний» я имею в виду не «доисторический»: события, о которых у нас идет речь, произошли два миллиарда лет назад — это значительный период времени, сопоставимый с возрастом и нашей планеты, и вселенной в целом.
Предвосхищая неизбежное, оговорюсь, что сценарий вроде «Колесниц богов» тут совершенно ни при чем. Просто взаимодействие минералов в древних скалах, течение рек и жутко голодные бактерии сговорились и создали в одном месте такую высокую концентрацию урана, какая обычно не встречается вне ядерных реакторов.
Уран — вещество достаточно коварное и опасное, однако существуют разные его изотопы, и не все они ведут себя одинаково. Самый распространенный — это уран‑238, однако главную роль в делении ядер играет уран‑235 (U‑235). Чтобы заработал реактор, где происходит деление ядер, необходимо в числе прочего обогатить уран при помощи ряда центрифуг, чтобы концентрация U‑235 достигла нескольких процентов. В природных породах U‑235 составляет всего лишь 0,7 процента общего количества урана на Земле, однако два миллиарда лет назад его было куда как больше — 3,7 процента; примерно такой уровень применяется в современных легководных ядерных реакторах. Соотношения изменились, поскольку уран постоянно распадается, а U‑235 распадается в шесть раз быстрее, чем U‑238.
Сочетание природного обогащения и больших запасов урана привело к накоплению критической массы. Уран расщеплялся на изотопы палладия и йода с выделением большого количества энергии, что подпитывало дальнейший процесс. Район Окло стал природным ядерным реактором, действовавшим миллионы лет.
Удивительно, что это вообще произошло. Но еще удивительнее, что пропорциональный состав отходов от ядерного деления в точности таков, как у отходов от ядерного деления в современных ядерных реакторах. Ядерные реакции — дело очень хитрое. Если бы ядерные силы со временем менялись — а мы, напомню, говорим о событиях, происходивших два миллиарда лет назад — мы бы сумели это увидеть более или менее непосредственно.
