Лев Шильник - Удивительная космология
Начало третьего тысячелетия ознаменовалось новыми достижениями. После полуторагодичных наблюдений и анализа данных, полученных с помощью космической обсерватории WMAP, была представлена гораздо более подробная карта распределения температуры реликтового излучения по всему небосводу. Английская аббревиатура МАР означает Microwave Anisotropy Probe, что можно перевести как «микроволновый анизотропный зонд» (или щуп), а буква W добавлена в честь астрофизика Уилкинсона, который был инициатором проекта, но не дожил до его окончания. Кроме того, шар – по-английски «карта». Ценность «карты» Уилкинсона трудно переоценить. Анализ полученных данных и последующее компьютерное моделирование позволили воссоздать картину рождения и развития Вселенной, уточнить ее возраст и состав. Это эпохальное событие произошло 13,7 миллиарда лет назад (плюс-минус 200 миллионов лет), что позволило поставить точку в бесконечных спорах о том, когда именно возникла Вселенная. Удалось окончательно выяснить, что пространство Вселенной геометрически плоское, и точно рассчитать одну из фундаментальных констант – постоянную Хаббла, отражающую скорость расширения Вселенной. Судя по данным зонда Уилкинсона, эта величина составляет 71 километр в секунду на один мегапарсек расстояния (вспомним, что один парсек – 3,26 светового года). Другими словами, участок размером в один мегапарсек (1 миллион парсек) каждую секунду прирастает на 71 километр.
Установлено, что Вселенная, остыв после Большого взрыва, долгое время оставалась темной и холодной. Первые звезды, по уточненным данным, начали формироваться через 400 миллионов лет после Большого взрыва, и столь раннее их появление лишний раз свидетельствует в пользу существования скрытой массы (или темной материи), которая своим гравитационным полем собирала размазанную материю в комки. Короче говоря, инфляционная модель показала себя надежной работоспособной теорией, замечательно согласующейся с опытными данными. А посему имеет смысл приглядеться к ней повнимательнее, проследив этап за этапом историю нашей Вселенной.
По современным представлениям, Вселенная рождается в результате случайной квантовой флуктуации, выпархивая из сингулярности – безразмерной точки, в которой кривизна пространства-времени бесконечна. Плотность вещества в этой точке тоже достигает бесконечно больших величин, а пространство и время обращаются в нуль. Другими словами, ни пространства, ни времени, ни вещества в привычном понимании в сингулярности не существует, а все известные законы перестают работать. Не имеет никакого смысла спрашивать, что было раньше, ибо раньше не было ничего: сингулярность – это предельная граница, Рубикон, который нельзя перейти. Хотелось бы специально подчеркнуть, что описанный сценарий рождения Вселенной практически «из ничего» – не пустые фантазии физиков-теоретиков на ровном месте; он опирается на строгие научные расчеты.
Читатель уже столько раз столкнулся с выражением «квантовые флуктуации», что у него наверняка давным-давно вертится на языке вопрос: что это за зверь такой и с чем его едят? Каким образом из этой случайной малости, по сути дела, из пустоты может возникнуть огромный мир с планетами, звездами и галактиками?
Люди, далекие от физики, склонны полагать, что вакуум – это полное отсутствие чего бы то ни было. Между тем из теории элементарных частиц с необходимостью следует, что физический вакуум отнюдь не пустота, а минимальная энергия полей и частиц, не равная нулю. Он буквально нафарширован так называемыми виртуальными частицами, которые рождаются парами как бы из ничего (например, электрон и его антипод позитрон), от души резвятся наподобие бабочек-поденок и через мгновение гибнут в акте аннигиляции, оставив память о себе в виде кванта света – фотона. Время их жизни настолько мало, что не может быть измерено в принципе. Любой измерительный процесс ограничен естественным физическим пределом – скоростью света, а виртуальные частицы, выныривая из пустоты, разрушаются так быстро, что никогда не могут наблюдаться непосредственно.
Между прочим, тот факт, что «пустое» пространство не может быть абсолютно пустым, с очевидностью вытекает из законов квантовой механики. Если бы вакуум был совершенно пуст, это означало бы, что все поля (электромагнитное, гравитационное и проч.) в нем в точности равны нулю. Однако величина поля и скорость его изменения со временем аналогичны положению и скорости частицы, а принцип неопределенности Гейзенберга, как известно, запрещает одновременное знание обоих параметров: чем точнее известна одна из этих величин, тем менее точно известна вторая. Не два горошка на ложку – приходится выбирать что-то одно. Послушаем Стивена Хокинга, известного английского физика-теоретика:
Следовательно, в пустом пространстве поле не может иметь постоянного нулевого значения, так как тогда оно имело бы и точное значение (нуль), и точную скорость изменения (тоже нуль). Должна существовать некоторая минимальная неопределенность в величине поля – квантовые флуктуации. Эти флуктуации можно себе представить как пары частиц света или гравитации, которые в какой-то момент времени вместе возникают, расходятся, а потом опять сближаются и аннигилируют друг с другом.
Такие частицы являются виртуальными <…>, в отличие от реальных виртуальные частицы нельзя наблюдать с помощью детектора реальных частиц. Но косвенные эффекты, производимые виртуальными частицами, например небольшие изменения энергии электронных орбит в атомах, можно измерить, и результаты удивительно точно согласуются с теоретическими предсказаниями. Принцип неопределенности предсказывает также существование аналогичных виртуальных пар частиц материи, таких как электроны или кварки. Но в этом случае один член пары будет частицей, а второй – античастицей (античастицы света и гравитации – это то же самое, что и частицы).
Однако немедленно возникает вопрос. Закон сохранения энергии запрещает ее получение из ничего, а мы, предположив рождение частиц из пустоты, этот закон вроде бы нарушили. Ларчик открывается просто. Для начала рассмотрим, как ведет себя электрический заряд при рождении пары электрон – позитрон. Полный заряд остается равным нулю, поскольку минус (заряд электрона) на плюс (заряд позитрона) в итоге дает нуль. Просто в течение очень короткого времени суммарный нулевой заряд разделен на две равные половинки – положительную и отрицательную. Нечто подобное происходит и с энергией частиц: электрон имеет положительную энергию, а его античастица (позитрон) располагает, в некотором смысле, равным количеством отрицательной энергии. Таким образом, полная энергия все равно остается нулевой в момент рождения и последующего взаимоуничтожения виртуальных частиц.
Подобные соображения применимы и к рождающейся из ничего Вселенной. На первый взгляд, мы сталкиваемся с неразрешимым парадоксом, ибо доступная наблюдениям часть Вселенной содержит астрономическое количество частиц, из которых построено вещество. Откуда они все взялись? Ответ прост: в соответствии с квантовой теорией, частицы могут рождаться из энергии в виде пар: частица – античастица. Хорошо, но откуда берется умопомрачительное количество энергии? Материя, наполняющая Вселенную (планеты, звезды и галактики, собранные из частиц), обладает положительной энергией, но в мире есть еще и гравитация, энергия которой отрицательна, поэтому суммарная энергия Вселенной равна нулю, как и ее электрический заряд (количество протонов и электронов одинаково). Но что имеется в виду, когда говорят об отрицательной энергии гравитации?
Еще раз процитируем Хокинга.
Вещество во Вселенной образовано из положительной энергии. Но все вещество само себя притягивает под действием гравитации. Два близко расположенных куска вещества обладают меньшей энергией, чем те же два куска, находящиеся далеко друг от друга, потому что для разнесения их в стороны нужно затратить энергию на преодоление гравитационной силы, стремящейся их соединить. Следовательно, энергия гравитационного поля в каком-то смысле отрицательна. Можно показать, что в случае Вселенной, примерно однородной в пространстве, эта отрицательная гравитационная энергия в точности компенсирует положительную энергию, связанную с веществом. Поэтому полная энергия Вселенной равна нулю.
Весьма любопытно, что количество положительной энергии может удвоиться параллельно удвоению отрицательной, поскольку дважды нуль – все равно нуль. При стандартном расширении сие невозможно, поскольку по мере увеличения Вселенной плотность энергии падает. А вот в эпоху инфляции, как мы помним, плотность энергии фальшивого вакуума остается постоянной, несмотря на увеличение размеров Вселенной. Поэтому при удвоении диаметра нашего мира вдвое вырастут и положительная энергия вещества, и отрицательная энергия гравитации, а суммарная энергия Вселенной будет по-прежнему равняться нулю. А поскольку в фазе раздувания размеры Вселенной увеличиваются экспоненциально, на порядки порядков, то и общее количество энергии, потребное для образования частиц, тоже чудовищно возрастает. Вот вам, читатель, и ответ на вопрос, каким таким чудесным образом вся материя, заполняющая сегодня Вселенную, могла уместиться в крохотном объеме, сопоставимом с планковской длиной. Она там и не думала помещаться: когда инфлатонное поле упало до минимума, вся запасенная в нем потенциальная энергия ушла на рождение элементарных частиц.
