Геннадий Горелик - Кто изобрел современную физику? От маятника Галилея до квантовой гравитации
Все это объясняется на сайте Космического агентства США (NASA), спутники которого собрали основные наблюдательные данные о Вселенной. Там же сказано, что нынешняя точность определения числа 13,7 составляет от 1 до 2 %, в зависимости от предпосылок. Отсюда следует, что говорить о величине 13,72, то есть о точности 0,1 %, и не научно, и не культурно.
А вот обсудить смысл понятия «возраст Вселенной» стоит. Определяют эту величину примерно так, как криминалист определяет, откуда стрелял пистолет, изучая отверстие в стене и пулю. Зная марку пистолета и, стало быть, начальную скорость пули, он рассчитает ее траекторию. Криминалисту гораздо труднее, если пистолет — уникальный, ручной работы, или если пуля вообще вылетела не из пистолета, а была, скажем, последней ступенью маленькой ракеты.
Аналогично астрофизик, измерив нынешнюю скорость расширения Вселенной, то есть скорость разлета галактик, пытается выяснить, когда расширение началось — когда произошел «выстрел», названный Большим взрывом. Роль пистолета выполняет уравнение гравитации Эйнштейна, которое описывает разлет галактик, если известны все формы вещества и энергии, заполняющие пространство. На сегодняшний день астрофизики имеют представление о веществе, составляющем, как считается, лишь около 5 % всей начинки Вселенной. Остальные 95 %, так называемые «темная материя» и «темная энергия», — дело темное. Сама же теория гравитации Эйнштейна, хорошо проверенная в масштабах Солнечной системы, предполагается применимой и в масштабах, в миллиарды раз больших.
Уже отсюда ясно, что за числом 13,7 кроются многие предпосылки. В одних астрофизики уверены на 99 %, в других меньше, о третьих спорят на конференциях. Так почему же число 13,7 (с точностью до процента!) вошло в сознание научно-культурной публики? Это случилось не так давно.
Оценки «возраста Вселенной» утряслись к ныне принятой величине еще в 1960-е годы, однако в публичную культуру научное число 13,7 вошло много позже благодаря С. Хокингу, автору самых популярных в истории физики книг, в одной из которых читаем:
При наблюдаемом количестве вещества во Вселенной решения уравнения Эйнштейна имеют одно очень важное общее свойство: некогда в прошлом (около 13,7 миллиарда лет назад) расстояние между соседними галактиками должно было равняться нулю. Другими словами, вся Вселенная была сжата в одну точку нулевого размера, в сферу нулевого радиуса. В тот момент плотность Вселенной и кривизна пространства-времени были бесконечны. Этот момент мы называем Большим взрывом.
Величина 13,7 здесь выглядит вполне научно-культурно, но ее объяснение, как сказал бы Ландау, — «обман трудящихся». Во-первых, «точка нулевого размера» — понятие чисто математическое, а не физическое. А во-вторых, и в самых главных, вместо исчезающе малой точки следовало бы поставить огромный вопросительный знак. Дело в том, что теория гравитации Эйнштейна, как обнаружил он сам еще в 1916 году, нуждается в квантовой доработке. Поэтому для физика и «решение уравнения Эйнштейна» осмысленно лишь тогда, когда имеет смысл само уравнение.
Квантовые границы нынешней теории гравитации и «обессмысливают» слова Хокинга о начальной точке. Уходя во все более давнее прошлое Вселенной, ее плотность, прежде чем стать формально бесконечной, приблизится к пограничной величине
ΡcGh = c5/G2h ≈ 1094 г/см3.
Дальше необходима теория квантовой гравитации, или cGh‑теория. В физике пока нет понятий, с помощью которых можно говорить о явлениях за этой границей. И значит, слова о «Вселенной, сжатой в точку нулевого размера», и о моменте времени этого нулевого события — слова пустые. Речь должна идти не о точке, а о вопросительном знаке, поставленном в 1936 году Матвеем Бронштейном, который предсказал необходимость «отказа от обычных представлений о пространстве и времени и замены их какими-то гораздо более глубокими и лишенными наглядности понятиями». Если за cGh-границей не работает понятие времени, то нет и смысла говорить о моментах времени «за-граничного».
На языке нынешней физики можно говорить о моменте, когда излучение в расширяющейся и остывающей Вселенной расцепилось с веществом и стало реликтовым. Можно говорить о более раннем времени, когда еще сцепленное с веществом излучение остыло настолько, что средней энергии фотона уже не хватало на образование пары барион-антибарион, то есть о моменте, когда закончилось накопление барионной асимметрии. Можно говорить о времени, прошедшем с тех пор до наших дней, близком к 13,7 миллиардам лет. Однако в физике нет пока слов, чтобы описать самый первый момент в истории Вселенной — ее «рождение». Поэтому начало отсчета времени — там, где «до н. э.» становится «н. э.», — можно связать с любым событием, кроме «рождения Вселенной», о котором науке ничего не известно.
Говорить же о «рождении Вселенной» на языке научно-популярном лучше всего, объясняя смысл самого выражения. Тогда не случился бы казус популярно-музыкальный и поучительный для научно-культурной публики. Несколько лет назад юная британская певица спела такую песенку:
There are nine million bicycles in Beijing
That’s a fact,
It’s a thing we can’t deny
Like the fact that I will love you till I die.
We are twelve billion light years from the edge,
That’s a guess,
No one can ever say it’s true
But I know that I will always be with you.
В Пекине 9 миллионов велосипедов,
это — факт, который мы не можем отрицать,
как и тот факт, что я буду любить тебя,
пока не умру.
Мы — в 12 миллиардах световых лет от края,
это — догадка,
и никто никогда не сможет сказать, так ли это.
Но я знаю, что с тобой я навсегда.
Некий научный слушатель обиделся на непочтительную замену точного числа 13,7 на сомнительную догадку — 12 и выразил свою обиду в газете «Гардиан». В защиту песни высказались несколько читателей, в том числе и продвинутые в науке. Никто, правда, не сказал о проблеме cGh-края Вселенной, но и так свобода лирического слова победила.
Будь я читателем «Гардиан», я бы поддержал британскую певицу яблоком, помня его заслуги перед британской физикой. И сделал бы это примерно так.
Уподобим Вселенную яблоку в июле, когда оно еще растет в размерах. Предыдущие месяцы жизни яблока уподобим миллиардам лет жизни Вселенной, а на поверхности яблока разместим аналог земной цивилизации, соответственно уменьшенной. За века яблочной научной эры — занявшие пять — десять земных секунд — яблоко изменится так же мало, как и наша Вселенная за время от Архимеда до Хокинга. Но все же изменится, хоть тамошним ученым заметить это будет непросто. Сперва тамошний Гаусс решит проверить Евклидову геометрию, измерив углы в реальном треугольнике на поверхности яблока. И с удивлением обнаружит, что, если измерять с высокой точностью, то сумма углов окажется больше 180°! Из такого рода измерений яблочные ученые сделают вывод, что их Вселенная — поверхность яблока — не плоская, а подобна сфере, и вычислят ее радиус. Спустя некоторое время, увеличив точность измерений, физики обнаружат, что радиус этот увеличивается со временем. Теоретики установят закон расширения их Яблочной вселенной, а продолжая этот закон в прошлое, тамошний Хокинг заявит, что когда-то — пару земных месяцев назад — вся Яблочная вселенная была сжата в одну точку нулевого размера, в сферу нулевого радиуса.
Сумеют ли тамошние физики догадаться, что яблоко начинается не с нулевой точки, а с цветка, внешне совершенно не похожего на яблоко? Для этого им понадобятся гораздо более глубокие понятия, чем обычные поверхностные представления… о яблоке.
В нашей земной цивилизации подобную догадку высказал три четверти века назад Матвей Бронштейн. Но до сих пор физики не придумали, как описать «цветок» квантовой гравитации в физике рождения Вселенной.
«…Квантовая гравитация физически бессмысленна»?
В 2004 году в издательствах Кембриджского и Оксфордского университетов вышли две солидные монографии с одинаковым лаконичным названием «Quantum Gravity». Монографию обычно пишут, чтобы подытожить исследования, изложенные в многочисленных статьях. В данном случае статей было так много, а проблема столь открыта, что монографии нарисовали весьма разные картины прошлого, настоящего и будущего. В частности, авторы по-разному восприняли главный вывод Бронштейна: один его попросту не заметил или не понял, а другой сочувственно процитировал, но не объяснил суть доводов о cGh-неизмеримости.
В том же, 2004 году нерожденная теория квантовой гравитации пережила также покушение на убийство. Совершил его знаменитый физик-теоретик Фримен Дайсон, предположив, что этот проклятый вопрос современной физики обречен на безответность, потому что «квантовая гравитация физически бессмысленна» и, значит, многолетние поиски следует прекратить, за отсутствием предмета поисков. Свое мнение обосновал он так:
