ВобщейтеорииотносительностиЭйнштейна, самойпосебе, делаетсявывод, чтопространство-времявозникловсингулярнойточкебольшоговзрыва, асвойконецонодолжнонаходитьвсингулярнойточкебольшогохлопка (есликоллапсируетвсяВселенная) ивсингулярностивнутричернойдыры (есликоллапсируеткакая-нибудьлокальнаяобласть
Библиотека сайта ***Знания‐сила***
типазвезды). Любоевещество, упавшеевтакуюдыру, всингулярностидолжноразрушиться, иснаружибудетощущатьсялишьгравитационноевоздействиеегомассы. Когдажебылиучтеныквантовыеэффекты, тооказалось, чтомассаиэнергиявеществавконцеконцовдолжны, по-видимому, возвращатьсяоставшейсячастиВселенной, ачернаядыравместесосвоейвнутреннейсингулярностьюдолжнаиспаритьсяиполностьюисчезнуть. Будетлистольжебольшимвлияниеквантовоймеханикинасингулярностивточкахбольшоговзрываибольшогохлопка? ЧтовдействительностипроисходитнаоченьраннихиоченьпозднихстадияхразвитияВселенной, когдагравитационныеполянастолькосильны, чтонельзяпренебрегатьквантовымиэффектами? ЕстьлидействительноуВселеннойначалоиконец? Аеслиесть, токаковыони?
Напротяжениисемидесятыхгодовявосновномзанималсяисследованиемчерныхдыр, нов 1981 г., когдаябылнаконференциипокосмологии, организованнойвВатиканеотцами-иезуитами, вомнеопятьпроснулсяинтересквопросуовозникновенииигибелиВселенной. КатолическаяЦерковьсовершилабольшуюошибкувсвоихвзаимоотношенияхсГалилеем, когда, пытаясьподчинитьзаконувопроснауки, объявила, чтоСолнцеобращаетсявокругЗемли. Теперь, черезвека, Церковьрешилапригласитьспециалистовиполучитьунихконсультациюпокосмологии. ВконцеконференцииучастникибылиудостоеныаудиенцииПапы. Онсказал, чтоэволюциюВселеннойпослебольшоговзрываизучатьможно, нонеследуетвторгатьсявсамбольшойвзрыв, потомучтоэтобылмоментСотворенияи, следовательно, Божественныйакт. Ябылоченьрад, чтоПапанезналтемытолькочтосделанногомнойдокладаовозможноститого, чтопространство-времяконечнонеимеетграниц, т. е. чтоононеимеетначала, азначит, нетимоментаСотворения. МненехотелосьразделятьсудьбуГалилея, скоторым, мнекажется, уменяестьчто-тообщее, хотябыто, чтопостранномусовпадениюяродилсяточночерез 300 летпослеегосмерти!
Чтобыбылоясно, какимибылимоимыслиимыслидругиховозможномвлиянииквантовоймеханикинанашивзглядынарождениеигибельВселенной, необходимосначаланапомнитьобщепринятуюкартинуисторииВселенной, основаннуюнатакназываемойгорячеймоделибольшоговзрыва. Внейсчитается, чтоВселеннаяотнашихднейдобольшоговзрываописываетсяоднойизмоделейФридмана. Вподобныхмоделяхоказывается, чтопомерерасширенияВселеннойвеществоиизлучениевнейохлаждаются. (СудвоениемразмеровВселеннойеетемпературастановитсявдвоениже). Посколькутемпература – этопростомераэнергии (т. е. скорости) частиц, охлаждениеВселеннойдолжносильновоздействоватьнавеществовнутринее. Приоченьвысокихтемпературахчастицыдвижутсятакбыстро, чтомогутпротивостоятьлюбомувзаимномупритяжению, вызванномуядернымиилиэлектромагнитнымисилами, ноприохлажденииможноожидать, чтонекоторыечастицыбудутпритягиватьсядругкдругуиначнутсливаться. Болеетого, дажетипычастиц, существующихвоВселенной, должнызависетьоттемпературы. Придостаточновысокихтемпературахэнергиячастицстольвелика, чтоприлюбомстолкновенииобразуетсямногоразныхпарчастица-античастица, и, хотянекотораядоляэтихчастицаннигилирует, сталкиваясьсантичастицами, ихобразованиепроисходитвсеравнобыстрееаннигиляции. Ноприболеенизкихтемпературах, когдаэнергиясталкивающихсячастицменьше, парычастица-античастицабудутобразовыватьсямедленнееианнигиляциячастицбудетпроисходитбыстреерождения.
Считается, чтовмоментбольшоговзрываразмерыВселеннойбылиравнынулю, асамаонабылабесконечногорячей. Нопомерерасширениятемператураизлученияпонижалась. Черезсекундупослебольшоговзрыватемператураупалапримернододесятитысячмиллионовградусов; этопримерновтысячуразбольшетемпературывцентреСолнца, но такиетемпературыдостигаютсяпривзрывахводороднойбомбы. ВэтовремяВселенная состоялаизфотонов, электронов, нейтрино (нейтрино – легчайшиечастицы, участвующие тольковслабомигравитационномвзаимодействиях) иихантичастиц, атакжеизнекоторого количествапротоновинейтронов. ПомеретогокакВселеннаяпродолжаларасширяться, а
Библиотека сайта ***Знания‐сила***
температурападать, скоростьрождения электрон-антиэлектронныхпарв соударенияхстала меньшескоростиихуничтожениязасчетаннигиляции. Поэтомупочтивсеэлектроныи антиэлектроныдолжныбылианнигилироватьдругсдругом, образовавновыефотоны, так чтоосталосьлишьчуть-чутьизбыточныхэлектронов. Нонейтриноиантинейтринонеаннигилировалидругсдругом, потомучтоэтичастицыоченьслабовзаимодействуютмеждусобойисдругимичастицами. Поэтомуонидосихнордолжнывстречатьсявокругнас. Еслибыихможнобылонаблюдать, тоунаспоявилсябыхорошийспособпроверкимоделиоченьгорячейраннейВселенной. Ксожалению, ихэнергиисейчасслишкоммалы, чтобыихможнобылонепосредственнонаблюдать. Однакоеслинейтринонеявляетсябезмассовойчастицей, аобладаетнебольшойсобственноймассой, обнаруженнойвнеподтвержденномэкспериментесоветскихученых 1981 г.,томысмоглибыобнаружитьихкосвенно: онимоглибыоказатьсяоднойизформтемнойматерии, упоминавшейсяранее, гравитационноепритяжениекоторойдостаточнодлятого, чтобыпрекратитьрасширениеВселеннойизаставитьееопятьсжиматься.
Примерночерезстосекундпослебольшоговзрыватемператураупаладотысячимиллионовградусов, чтоотвечаеттемпературевнутрисамыхгорячихзвезд. Притакойтемпературеэнергиипротоновинейтроновуженедостаточнодлясопротивлениясильномуядерномупритяжению, иониначинаютобъединятьсядругсдругом, образуяядрадейтерия (тяжелоговодорода), которыесостоятизпротонаинейтрона. Затемядрадейтерияприсоединяютксебеещепротоныинейтроныипревращаютсявядрагелия, содержащиедвапротонаидванейтрона, атакжеобразуютнебольшиеколичестваболеетяжелыхэлементов – литияибериллия. Вычисленияпоказывают, что, согласногорячеймоделибольшоговзрыва, околочетвертойчастипротоновинейтроновдолжнобылопревратитьсяватомыгелияинебольшоеколичествотяжелоговодородаидругихэлементов. Оставшиесянейтроныраспалисьнапротоны, представляющиесобойядраобычныхатомовводорода.
ОписаннаякартинагорячейВселеннойнараннейстадииразвитиябылапредложенаученымДжорджем (Г. А.) Гамовымвзнаменитойработе, которуюГамовнаписалв 1948 г. вместесосвоимаспирантомРальфомАльфером. Обладаяпрекраснымчувствомюмора, Гамовуговорилфизика-ядерщикаГансаБетедобавитьсвоюфамилиюкспискуавторов, чтобыполучилось «Альфер, Бете, Гамов», чтозвучит, какназванияпервыхтрехбуквгреческогоалфавита – альфа, бета, гамма, ичрезвычайноподходитдлястатьионачалеВселенной! Вэтойстатьебылосделанозамечательноепредсказаниеотом, чтоизлучение (ввидефотонов), испущенноенаоченьраннихстадияхразвитияВселенной, должнодосихпорсуществоватьвокругнас, нозаэтовремяеготемператураупалаиравнавсеголишьнесколькимградусамвышеабсолютногонуля. Этоименнотоизлучение, котороев 1965 г. обнаружилиПензиасиВильсон. КогдаАльфер, БетеиГамовписалисвоюработу, ядерныереакциисучастиемпротоновинейтроновбылиплохоизучены. ПоэтомупредсказанныеимисоотношениямеждуконцентрациямиразныхэлементоввраннейВселеннойоказалисьвесьманеточными, однако, будучиповторенывсветеновыхпредставлений, всевычислениядалирезультаты, прекрасносогласующиесяссовременныминаблюдениями. Крометого, оченьтруднообъяснитькак-тоиначе, почемувоВселеннойдолжнобытьтакмногогелия. Поэтомумысовершенноуверенывтом, чтоэтакартинаправильна, покрайнеймереспустясекундупослебольшоговзрываипозже.
Всегочерезнесколькочасовпослебольшоговзрываобразованиегелияидругихэлементовпрекратилось, послечеговтечениепримерномиллионалетВселеннаяпростопродолжаларасширятьсяиснейнепроисходилоничегоособенного. Наконец, когдатемператураупаладонесколькихтысячградусовиэнергииэлектроновиядерсталонедостаточнодляпреодолениядействующегомеждунимиэлектромагнитногопритяжения, ониначалиобъединятьсядругсдругом, образуяатомы. ВсяВселеннаякакцелоемоглапродолжатьрасширятьсяиохлаждаться, новтехобластях, плотностькоторыхбыланемноговышесредней, расширениезамедлялосьиз-задополнительногогравитационного
Библиотека сайта ***Знания‐сила***
притяжения. Врезультатенекоторыеобластиперестали расширятьсяи началисжиматься. В процессесжатияподдействиемгравитационногопритяженияматерии, находящейся снаружиэтихобластей, моглоначатьсяихмедленноевращение. Суменьшениемразмеров коллапсирующейобластиеевращениеускорялось, подобнотому, какускоряетсявращениефигуристанальду, когдаонприжимаетрукиктелу. Когданаконецколлапсирующаяобластьсталадостаточномалой, скоростиеевращениядолжнобылохватитьдляуравновешиваниягравитационногопритяжения – такобразовалисьвращающиесядискообразныегалактики. Теобласти, которыененачаливращаться, превратилисьвовальныеобъекты, называемыеэллиптическимигалактиками. Коллапсэтихобластейтожепрекратился, потомучто, хотяотдельныечастигалактикистабильновращалисьвокругеецентра, галактикавцеломневращалась.
Состоящийизводородаигелиягазвнутригалактиксовременемраспалсянагазовыеоблакаменьшегоразмера, сжимающиесяподдействиемсобственнойгравитации. Присжатииэтихоблаковатомывнутринихсталкивалисьдругсдругом, температурагазаповышалась, ивконцеконцовгазразогрелсятаксильно, чтиначалисьреакцииядерногосинтеза. Врезультатеэтихреакцийизводородаобразовалосьдополнительноеколичествогелия, аиз-завыделившегосятеплавозрослодавлениеигазовыеоблакапересталисжиматься. Облакадолгооставалисьвэтомсостоянии, подобнотакимзвездам, какнашеСолнце, превращаяводородвгелийиизлучаявыделяющуюсяэнергиюввидетеплаисвета. Болеемассивнымзвездамдляуравновешиваниясвоегоболеесильногогравитационногопритяжениянужнобылоразогретьсясильнее, иреакцииядерногосинтезапротекаливнихнастолькобыстрее, чтоонивыжглисвойводородвсегозастомиллионовлет. Затемонислегкасжались, и, посколькунагревпродолжался, началосьпревращениегелиявболеетяжелыеэлементы, такиекакуглеродикислород. Новподобныхпроцессахвыделяетсянемногоэнергии, ипотому, какужеговорилосьвглавеочерныхдырах, долженбылразразитьсякризис. Несовсемясно, чтопроизошлопотом, новполнеправдоподобно, чтоцентральныеобластизвездыколлапсироваливоченьплотноесостояниевроденейтроннойзвездыиличернойдыры. Внешниеобластизвездымогутвремяотвремениотрыватьсяиуноситьсячудовищнымвзрывом, которыйназываетсявзрывомсверхновой, затмевающейсвоимблескомвсеостальныезвездывсвоейгалактике. Частьболеетяжелыхэлементов, образовавшихсяпередгибельюзвезды, былаотброшенавзаполняющийгалактикугазипревратиласьвсырьедляпоследующихпоколенийзвезд. НашеСолнцесодержитоколодвухпроцентовупомянутыхболеетяжелыхэлементов, потомучтооноявляетсязвездойвторогоилитретьегопоколения, образовавшейсяоколопятимиллиардовлетназадизоблакавращающегосягаза, вкоторомнаходилисьосколкиболеераннихсверхновых. ГазизэтогооблакавосновномпошелнаобразованиеСолнцаилибылунесенвзрывом, нонебольшоеколичествоболеетяжелыхэлементов, собравшисьвместе, превратилосьвнебесныетела – планеты, которыесейчас, какиЗемля, обращаютсявокругСолнца.
СначалаЗемлябылагорячейинеимелаатмосферы. Современемонаостыла, авследствиевыделениягазаизгорныхпородвозниклаземнаяатмосфера. Ранняяатмосферабыланепригоднадлянашейжизни. Внейнебылокислорода, нобыломногодругих, ядовитыхдлянасгазов, напримерсероводорода (этототгаз, которыйпридаетспецифическийзапахтухлымяйцам). Правда, естьидругие, примитивныеформыжизни, которыемогутпроцветатьвтакихусловиях. Предполагают, чтоониразвилисьвокеанах, возможно, врезультатеслучайныхобъединенийатомоввбольшиеструктуры, называемыемакромолекулами, которыеобладалиспособностьюгруппироватьдругиеатомывокеаневтакиежеструктуры. Такимобразомонисамовоспроизводилисьимножились. Иногдав воспроизведениимоглипроизойтисбои. Этисбоибольшейчастьюсостояливтом, чтоновая макромолекуланемоглавоспроизвестисебяивконцеконцовразрушалась. Ноиногдав результатесбоеввозникалиновыемакромолекулы, дажеболееспособныек самовоспроизведению, чтодавало импреимущество, ионистремилисьзаменитьсобой первоначальные. Такначалсяпроцесс эволюции, который приводилк возникновениювсе болееиболеесложныхорганизмов, способныхксамовоспроизведению. Самыепервые примитивныеживыеорганизмыпотреблялиразличныевещества, втомчислесероводород, и выделяликислород. Врезультатепроисходилопостепенноеизменениеземнойатмосферы, составкоторойвконцеконцовсталтаким, каксейчас, ивозниклиподходящиеусловиядляразвитияболеевысокихформжизни, таких, какрыбы, рептилии, млекопитающиеи, наконец, человеческийрод.
Картина, вкоторойВселеннаясначалабылаоченьгорячейиохлаждаласьпомересвоегорасширения, пасегодняшнийденьсогласуетсясрезультатамивсехнаблюдений. Темнеменеецелыйрядважныхвопросовостаетсябезответа.
1. ПочемуранняяВселеннаябылатакойгорячей?
2. ПочемуВселеннаятакоднороднавбольшихмасштабах? Почемуонавыглядитодинаковововсехточкахпространстваивовсехнаправлениях? Вчастности, почемутемпературакосмическогофонамикроволновогоизлученияпрактическинеменяетсяпринаблюденияхвразныхнаправлениях? Когданаэкзамененесколькимстудентамподрядзадаетсяодинитотжевопросиихответысовпадают, выможетебытьсовершенноуверенывтом, чтоонисоветовалисьдругсдругом. Однаковописанноймоделисмоментабольшоговзрываусветанебыловремени, чтобыпопастьизоднойудаленнойобластивдругую, дажееслиэтиобластирасполагалисьблизкодругкдругувраннейВселенной. Согласножетеорииотносительности, еслисветнеможетпопастьизоднойобластивдругую, тоиникакаядругаяинформациятоженеможет. ПоэтомуразныеобластираннейВселеннойникакнемогливыровнятьсвоитемпературыдругсдругом, еслиунихнебылиодинаковыепокакой-тонепонятнойпричинетемпературыпрямосмоментарождения.
3. ПочемуВселеннаяначаларасширятьсясоскоростью, стольблизкойккритической, котораяразделяетмоделисповторнымсжатиемимоделисвечнымрасширением, такчтодажесейчас, черездесятьтысячмиллионовлет, Вселеннаяпродолжаетрасширятьсясоскоростью, примерноравнойкритической? Еслибычерезсекундупослебольшоговзрываскоростьрасширенияоказаласьхотьнаоднустотысячамиллионмиллионную (1/100.000.000.000.000.000) меньше, топроизошлобыповторноесжатиеВселеннойионаникогдабынедостигласвоегосовременногосостояния.
4. НесмотрянакрупномасштабнуюоднородностьВселенной, внейсуществуютнеоднородности, такие, какзвездыигалактики. Считается, чтоониобразовалисьиз-занебольшихразличийвплотностираннейВселеннойотобластикобласти. Чтобылопричинойэтихфлуктуацийплотности?
Общаятеорияотносительностисамапосебеневсостоянииобъяснитьперечисленныесвойстваилиответитьнапоставленныевопросы, таккаконаговорит, чтоВселеннаявозниклавсингулярнойточкебольшоговзрываивсамомначалеимелабесконечнуюплотность. Всингулярнойжеточкеобщаятеорияотносительностиивсефизическиезаконыневерны: невозможнопредсказать, чтовыйдетизсингулярности. Какмыужеговорили, этоозначает, чтобольшойвзрывивсесобытиядонегоможновыброситьизтеории, потомучтоониникакнемогутповлиятьнато, чтомынаблюдаем. Следовательно, пространство-времядолжноиметьграницу – началовточкебольшоговзрыва.
Наука, по-видимому, открылавсетезаконы, которыевпределахпогрешностей, налагаемыхпринципомнеопределенности, позволяютпредсказать, какВселеннаяизменитсясовременем, еслиизвестноеесостояниевкакой-томоментвремени. Можетбыть, этизаконыбылиданыБогом, ностехпорОн, судяповсему, предоставилВселеннойразвиватьсявсоответствииснимиитеперьневмешиваетсявеежизнь. НокакимионвыбралначальноесостояниеиначальнуюконфигурациюВселенной? Какие «граничныеусловия» быливмомент «началавремени»?
Одинизвозможныхответов – этосказать, чтопривыбореначальнойконфигурацииВселеннойБогруководствовался соображениями, понятькоторыенамнедано. Это, безусловно, былововластиБога, но почему, выбрав такоестранноеначало, Онвсеже решил, чтобыВселеннаяразвиваласьнопонятнымнамзаконам? Всяисториянаукибыла постепеннымосознаниемтого, чтособытиянепроисходятпроизвольнымобразом, а отражаютопределенныйскрытыйпорядок, которыймогилинемогбытьустановленбожественнымисилами. Былобылишьестественнопредположить, чтоэтотпорядокотноситсянетолькокзаконамнауки, ноикусловиямнаграницепространства-времени, которыеопределяютначальноесостояниеВселенной. ВозможнобольшоечислоразныхмоделейВселеннойсиныминачальнымиусловиями, подчиняющихсязаконамнауки. Долженсуществоватькакой-топринципдляотбораодногоначальногосостоянияи, сталобыть, одноймоделидляописаниянашейВселенной.
Однуизтакихвозможностейназываютхаотическимиграничнымиусловиями. Внихмолчаливопринимается, либочтоВселеннаябесконечнавпространстве, либочтосуществуетбесконечномноговселенных. Согласнохаотическимграничнымусловиям, вероятностьтого, чтолюбаявыделеннаяобластьпространствасразупослебольшоговзрываокажетсявлюбомзаданномсостоянии, примерноравнавероятноститого, чтоонаокажетсявлюбомдругомсостоянии: начальноесостояниеВселеннойвыбираетсясовершеннопроизвольнымобразом. Этоозначалобы, чторанняяВселеннаябыла, вероятно, оченьхаотичнойинерегулярной, потомучтохаотическихибеспорядочныхсостоянийВселеннойгораздобольше, чемгладкихиупорядоченных. (Есливсесостоянияравновероятны, тоВселеннаясбольшойвероятностьювозниклаводномизхаотическихибеспорядочныхсостоянийпростопотому, чтотакихсостоянийгораздобольше). Трудносказать, какподобныехаотическиеначальныеусловиямоглипородитьтакуюгладкуюиоднороднуювбольшихмасштабахВселенную, какнашасейчас. Можнотакжеожидать, чтовтакоймоделифлуктуацииплотностиприведуткобразованиюгораздобольшегочислапервичныхчерныхдыр, чемверхнийпредел, вытекающийизнаблюденийфонагамма-излучения.
ЕслиВселеннаявсамомделебесконечнавпространствеилиеслисуществуетбесконечномноговселенных, тогде-томоглибысуществоватьдовольнобольшиеобласти, возникшиевгладкомиоднородномсостоянии. Вспомнимхорошоизвестныйпримерсостаейобезьян, барабанящихнапишущихмашинках: большаячастьихработыпойдетвкорзину, новпринципеонимогутсовершеннослучайнонапечататьодинизсонетовШекспира. Такиздесь – немоглалиобластьВселенной, вкотороймыживем, случайнооказатьсягладкойиоднородной? Напервыйвзглядэтоможетпоказатьсякрайнемаловероятным, потомучтотакихгладкихобластейдолжнобытьнамногоменьше, чемхаотическихинеоднородных. Нопредположим, чтогалактикиизвездыобразовывалисьтольковгладкихобластяхитолькотамусловиябылипригодныдляразвитиятакихсложныхсамовоспроизводящихсяорганизмов, какмы, способныхзадатьвопрос: «ПочемуВселеннаятакаягладкая?» Этопримерприменениятакназываемогоантропногопринципа, которыйможносформулироватьследующимобразом: «МывидимВселеннуютак, какмыеевидим, потомучтомысуществуем».
Антропныйпринципсуществуетвдвухвариантах – слабомисильном. Слабыйантропныйпринципутверждает, чтовоВселенной, котораявеликаилибесконечнавпространствеиливовремени, условия, необходимыедляразвитияразумныхсуществ, будутвыполнятьсятольковнекоторыхобластях, ограниченныхвпространствеивремени. Поэтомуразумныесуществавэтихобластяхнедолжныудивляться, обнаружив, чтотаобласть, гдеониживут, удовлетворяетусловиям, необходимымдляихсуществования. Такбогач, живущийвбогатомрайоне, невидитникакойбедностивокругсебя.
Одинизпримеровпримененияслабогоантропногопринципа – «объяснение» того, что большойвзрывпроизошелоколодесятитысячмиллионовлетназад: примерностолько временитребуетсяразумнымсуществамдляихразвития. Какужеговорилось, преждевсего должнобылообразоватьсяраннеепоколениезвезд. Этизвездыпревращаличасть первоначальноговодородаигелия вэлементытипауглеродаикислорода, изкоторыхмы состоим. Затемзвездывзрывалиськак сверхновые, аизих осколковобразовывалисьдругие звездыипланеты, втомчислеивходящиевнашуСолнечнуюсистему, возрасткоторой околопятитысячмиллионовлет. Впервыеоднуилидветысячимиллионовлет существованияЗемлинанейбылослишкомжаркодляразвитиякакихбытонибылосложныхорганизмов. Остальныепримернотритысячимиллионовлетпроисходитмедленныйпроцессбиологическогоразвития, врезультатекоторогопростейшиеорганизмыпрошлипутьдоразумныхсуществ, умеющихизмерятьвремя, прошедшеесмоментабольшоговзрыва.
Малоктовозражаетпротивсправедливостииприменимостислабогоантропногопринципа. Некоторыежеидутзначительнодальше, предлагаяегосильныйвариант. Онзаключаетсявтом, чтосуществуетлибомногоразныхвселенных, либомногоразныхобластейоднойвселенной, каждаяизкоторыхимеетсвоюсобственнуюначальнуюконфигурациюи, возможно, свойсобственныйнаборнаучныхзаконов. Вбольшейчастиэтихвселенныхусловиябылинепригодныдляразвитиясложныхорганизмов; лишьвнескольких, похожихнанашу, вселенныхсмоглиразвиватьсяразумныесущества, иуэтихразумныхсуществвозниквопрос: «ПочемунашаВселеннаятакая, какоймыеевидим?» Тогдаответпрост: «ЕслибыВселеннаябыладругой, здесьнебылобынас!»
Законынаукивтомвиде, вкотороммыихзнаемсейчас, содержатмногофундаментальныхвеличин, таких, какэлектрическийзарядэлектронаиотношениемассыпротонакмассеэлектрона. Мынеумеем, нокрайнеймересейчас, теоретическипредсказыватьзначенияэтихвеличин – онинаходятсятолькоизэксперимента. Можетбыть, придетдень, когдамыоткроемполнуюединуютеорию, спомощьюкоторойвсеэтивеличиныбудутвычислены, номожетоказаться, чтонекоторыеизних, атоивсеизменяютсяприпереходеотвселеннойквселеннойилиипределаходнойвселенной. Удивительно, чтозначениятакихвеличинбыли, по-видимому, оченьточноподобраны, чтобыобеспечитьвозможностьразвитияжизни. Еслибы, например, электрическийзарядэлектронабылчуть-чутьдругим, звездылибонесжигалибыводородигелий, либоневзрывались. Разумеется, могутбытьидругиеформыразумнойжизни, окоторыхнегрезилидажеписатели-фантасты. Дляподдержанияэтойжизнинетребуютсянисветзвезды, как, скажем, нашеСолнце, нитяжелыеэлементы, синтезирующиесявнутризвездиразлетающиесяпокосмическомупространствупривзрывезвезды. Темнеменее, по-видимому, ясно, чтовеличины, окоторыхмыговорим, имеютсравнительнонемногообластейзначений, прикоторыхвозможноразвитиекакойбытонибылоразумнойжизни. Большаяжечастьзначенийотвечаетвселенным, вкоторых, какбыонинибылипрекрасны, нетникого, ктомогбыимивосхищаться. ЭтоможновосприниматьлибокаксвидетельствобожественногопровидениявсотворенииВселеннойивыборезаконовнауки, либокакподтверждениесильногоантропногопринципа.
МожновыдвинутьнескольковозраженийпротивпривлечениясильногоантропногопринципадляобъяснениянаблюдаемогосостоянияВселенной. Во-первых, вкакомсмыслеможноговорить, чтовсеэтивселенныесуществуют? Еслионидействительноизолированыдруготдруга, тособытия, происходящиеневнашейВселенной, немогутиметьнаблюдаемыхследствийвнашейВселенной. Поэтомунамследуетвоспользоватьсяпринципомэкономиииисключитьихизтеории. Еслижеэтивселенные – просторазныеобластиоднойитойжевселенной, тонаучныезаконыдолжныбытьодинаковывкаждойобласти, потомучтоиначебылбыневозможеннепрерывныйпереходизоднойобластивдругую. Тогдаобластиотличалисьбыдруготдругатольконачальнымиконфигурациямиисильныйантропныйпринципсводилсябыкслабойформулировке.
Второевозражениепротивсильногоантропногопринципа – этото, чтооннаправленпротивходавсейисториинауки. Развитиенаукишлоотгеоцентрическихкосмологии ПтолемеяиегопредшественниковчерезгелиоцентрическуюкосмологиюКоперникаи Галилеяксовременнойкартинемира, согласнокоторойЗемляявляетсяпланетойсреднего размера, обращающейсявокругобычнойзвездывнутриобычнойспиральнойгалактики, котораявсвоюочередьявляетсявсеголишьоднойизмиллионамиллионовгалактиквнаблюдаемойчастиВселенной. Темнеменее, согласносильномуантропномупринципу, всеэтогигантскоесооружениесуществуетпросторадинас. Вэтооченьтрудноповерить. НашаСолнечнаясистемабезусловноявляетсянеобходимымусловиемнашегосуществования; тежесамыерассужденияможнораспространитьнавсюнашуГалактику, чтобыучестьзвездыраннегопоколения, благодарякоторымпроизошелсинтезтяжелыхэлементов. Но, по-видимому, нетникакойнеобходимостивтом, чтобывсеэтидругиегалактики, даивсяВселеннаябылитакимиоднороднымииодинаковымивбольшихмасштабахвлюбомнаправлении.
Можнобылобынебеспокоитьсянасчетантропногопринципа, особенновегослабойформулировке, еслибыудалосьпоказать, чтоизразныхначальныхконфигурацийВселеннойлишьнекоторыемоглиразвитьсявоВселенную, какта, которуюмынаблюдаем. Еслиэтоправильно, тоВселенная, возникшаяизслучайныхначальныхусловий, должнасодержатьвсебегладкиеиоднородныеобласти, пригодныедляразвитияразумнойжизни. Еслижедлятого, чтобыполучилосьто, чтомывидимвокруг, требовалсячрезвычайнотщательныйвыборначальногосостоянияВселенной, товрядливнейоказаласьбыхотьоднаобласть, вкотороймоглазародитьсяжизнь. Вгорячеймоделибольшоговзрывабылослишкоммаловременидляпередачитеплаизоднойобластивдругую. Этозначит, чтодляобъяснениятогофакта, чтотемпературамикроволновогофонаодинаковавлюбомнаправлениинаблюдения, необходимо, чтобывначальномсостоянииВселеннойеетемпературабылавездевточностиодинаковой. Крометого, требовалсяиоченьточныйвыборначальнойскоростирасширения, потомучтодляизбеганияповторногосжатияскоростьрасширениядолжнаоставатьсядостаточноблизкойккритическомузначению. Следовательно, выборначальногосостоянияВселеннойдолженпроизводитьсяоченьтщательно, еслигорячаямодельбольшоговзрываприменимадосамогомоментаначалаотсчетавремени. ПочемуначалоВселеннойдолжнобылобытьименнотаким, оченьтруднообъяснитьиначе, какдеяниемБога, которомузахотелосьсоздатьтакихживыхсуществ, какмы.
ПопыткипостроитьмодельВселенной, вкотороймножестворазныхначальныхконфигурациймоглобыразвитьсявочто-нибудьвроденашейнынешнейВселенной, привелиАланаГута, ученогоизМассачусетскоготехнологическогоинститута, кпредположениюотом, чторанняяВселеннаяпережилапериодоченьбыстрогорасширения. Эторасширениеназываютраздуванием, подразумевая, чтокакое-товремярасширениеВселеннойпроисходилосовсевозрастающейскоростью, анесубывающей, каксейчас. Гутрассчитал, чторадиусВселеннойувеличивалсявмиллионмиллионовмиллионовмиллионовмиллионов (единицастридцатьюнулями) развсегозакрошечнуюдолюсекунды.
Гутвысказалпредположение, чтоВселеннаявозниклаврезультатебольшоговзрывавоченьгорячем, нодовольнохаотическомсостоянии. Высокиетемпературыозначают, чточастицывоВселеннойдолжныбылиоченьбыстродвигатьсяииметьбольшиеэнергии. Какужеговорилось, притакихвысокихтемпературахсильныеислабыеядерныесилыиэлектромагнитнаясиладолжныбыливсеобъединитьсяводну. ПомерерасширенияВселеннойонаохлаждаласьиэнергиичастицуменьшались. Вконцеконцовдолженбылбыпроизойтитакназываемыйфазовыйпереходисимметриясилбылабынарушена: сильноевзаимодействиеначалобыотличатьсяотслабогоиэлектромагнитного. Известныйпримерфазовогоперехода – замерзаниеводыприохлаждении. Жидкоесостояниеводысимметрично, т. е. водаодинаковавовсехточкахивовсехнаправлениях. Образующиесяжекристаллыльдаимеютопределенныеположенияивыстраиваютсявнекоторомнаправлении.
Врезультатесимметрияводынарушается.
Еслиохлаждатьводуоченьосторожно, тоееможно «переохладить», т. е. охладить нижеточкизамерзания (0 град. Цельсия) безобразованияльда. Гутпредположил, что Вселеннаямогласебявестипохожимобразом: еетемпературамоглаупастьниже
критическогозначениябезнарушения симметриисил. Еслибыэтопроизошло, тоВселенная оказаласьбывнестабильномсостояниисэнергией, превышающейтy, которуюонаимелабы принарушениисимметрии. Можнопоказать, чтоэтаособаядополнительнаяэнергия производитантигравитационноедействиеаналогичнокосмологическойпостоянной, которуюЭйнштейнввелвобщуютеориюотносительности, пытаясьпостроитьстатическуюмодельВселенной. Поскольку, какивгорячеймоделибольшоговзрыва, Вселеннаяужевращалась, отталкивание, вносимоекосмологическойпостоянной, заставилобыВселеннуюрасширятьсясовсевозрастающейскоростью. Дажевтехобластях, гдечислочастицвеществапревышалосреднеезначение, гравитационноепритяжениематериибылобыменьшеотталкивания, вносимогоэффективнойкосмологическойпостоянной. Следовательно, такиеобластидолжныбылитожерасширятьсясускорением, характернымдлямоделираздувающейсяВселенной. Померерасширениячастицыматериирасходилисьбывседальшедруготдруга, ивконцеконцоврасширяющаясяВселеннаяоказаласьбыпочтибезчастиц, новсеещевпереохлажденномсостоянии. ВрезультатерасширениявсенеоднородностивоВселеннойдолжныбылипростосгладиться, какразглаживаютсяпринадуванииморщинынарезиновомшарике. Следовательно, нынешнеегладкоеиоднородноесостояниеВселенноймоглоразвитьсяизбольшогочисларазныхнеоднородныхначальныхсостояний.
ВоВселенной, скоростьрасширениякоторойрастетиз-закосмологическойпостояннойбыстрее, чемзамедляетсяиз-загравитационногопритяженияматерии, светухватилобывременидляпереходаизоднойобластираннейВселеннойвдругую. Этобылобырешениемранеепоставленнойзадачиотом, почемуразныеобластираннейВселеннойимеютодинаковыесвойства. Крометого, скоростьрасширенияВселеннойсталабыавтоматическиоченьблизкаккритическомузначению, определяемомуплотностьюэнергиивоВселенной. Тогдатакуюблизостьскоростирасширенияккритическойможнобылобыобъяснить, неделаяпредположенияотщательномвыбореначальнойскоростирасширенияВселенной.
РаздуваниемВселеннойможнобылобыобъяснить, почемувнейтакмноговещества. ВдоступнойнаблюдениямобластиВселеннойсодержитсяпорядкастамиллионовмиллионовмиллионовмиллионовмиллионовмиллионовмиллионовмиллионовмиллионовмиллионовмиллионовмиллионовмиллионов (единицасвосьмьюдесятьюнулями) частиц. Откудавсеонивзялись? Ответсостоитвтом, чтовквантовойтеориичастицымогутрождатьсяизэнергииввидепарчастица-античастица. Нотогдасразувозникаетвопрос: откудаберетсяэнергия? Ответтаков. ПолнаяэнергияВселеннойвточностиравнанулю. ВеществовоВселеннойобразованоизположительнойэнергии. Новсевеществосамосебяпритягиваетподдействиемгравитации. Дваблизкорасположенныхкускавеществаобладаютменьшейэнергией, чемтежедвакуска, находящиесядалекодруготдруга, потомучтодляразнесенияихвсторонынужнозатратитьэнергиюнапреодолениегравитационнойсилы, стремящейсяихсоединить. Следовательно, энергиягравитационногонолявкаком-тосмыслеотрицательна. Можнопоказать, чтовслучаеВселенной, примернооднороднойвпространстве, этаотрицательнаягравитационнаяэнергиявточностикомпенсируетположительнуюэнергию, связаннуюсвеществом. ПоэтомуполнаяэнергияВселеннойравнанулю.
Посколькудваждынультоженуль, количествоположительнойэнергиивеществавоВселеннойможетудвоитьсяодновременносудвоениемотрицательнойгравитационнойэнергии; законсохраненияэнергииприэтомненарушится. ТакогонебываетпринормальномрасширенииВселенной, вкоторойплотностьэнергиивеществауменьшаетсяпомереувеличенияразмеровВселенной. Ноименнотакпроисходитприраздувании, потомучтовэтомслучаеВселеннаяувеличивается, аплотностьэнергиипереохлажденногосостоянияостаетсяпостоянной: когдаразмерыВселеннойудвоятся, положительнаяэнергия веществаиотрицательнаягравитационнаяэнергиятожеудвоятся, врезультатечегополная энергияостаетсяравнойнулю. ВфазераздуванияразмерыВселеннойоченьсильно
Библиотека сайта ***Знания‐сила***
возрастают. Следовательно, общееколичествоэнергии, засчеткотороймогут образовыватьсячастицы, тожесильноувеличивается. Гутпоэтомуповодузаметил: «Говорят, чтонебываетскатерти-самобранки. АневечнаялисамобранкасамаВселенная?»
СейчасВселеннаярасширяетсябезраздувания. Значит, долженсуществоватькакой-томеханизм, благодарякоторомубылаустраненаоченьбольшаяэффективнаякосмологическаяпостоянная, аскоростьрасширенияпересталарастииподдействиемгравитацииначалауменьшаться, какпродолжаетуменьшатьсяисейчас. Можноожидать, чтоприраздуваниивконцеконцовнарушитсясимметриясил, такжекакпереохлажденнаяводавконцеконцовзамерзнет. Тогдалишняяэнергиясостояниясненарушеннойсимметриейдолжнавыделиться, изасчетэтогоВселеннаяразогреетсядотемпературы, чуть-чутьменьшей, чемкритическаятемпература, прикоторойсимметриясилещененарушается. ЗатемВселеннаяопятьначнетрасширятьсяиохлаждаться, такжекаквгорячеймоделибольшоговзрыва, нотеперьмыужесможемобъяснить, почемускоростьеерасширениявточностиравнакритическойипочемуразныеобластиВселеннойимеютодинаковуютемпературу.
ВгипотезеГутафазовыйпереходпроисходилоченьбыстро, каквозникаютвдругкристаллыльдавоченьхолоднойводе. ИдеяГутазаключаласьвтом, чтовнутристаройфазыобразуются «пузырьки» новойфазынарушеннойсимметрии, подобнотому, каквкипящейводe зарождаютсяпузырькипара. Гутпредположил, чтопузырирасширяютсяисливаютсядругсдругомдотехпор, покавсяВселеннаянеокажетсявновойфазе. Новотвчембеда: Вселенная, начтоуказалияиещенесколькочеловек, такбыстрорасширяется, чтодажееслибыпузырирослисоскоростьюсвета, онивсеравноудалялисьбыдруготдругаипоэтомунемоглибысливаться. Вселеннаяоставаласьбывоченьнеоднородномсостоянии, ивнекоторыхобластяхсимметриямеждусиламисохраняласьбы. ТакаямодельВселеннойнесоответствовалабытому, чтомывидим.
Воктябре 1981 г. яприехалвМосквунаконференциюпоквантовойгравитации. ПослеконференцииясделалдокладомоделираздувающейсяВселеннойисвязанныхснейпроблемахвАстрономическоминститутеим. Штернберга. СредислушателейбылмолодойсоветскийфизикАндрейЛинде, сотрудникФизическогоинститутаим. Лебедева. Онсказал, чтотрудность, связаннаясневозможностьюобъединенияпузырей, отпадает, еслиразмерыпузырейстольвелики, чтовсянашаобластьВселеннойсодержитсявнутриодногопузыря. Длятогочтобыэтопредположениевыполнялось, сохранениесимметриивнутрипузырядолжнооченьмедленнопереходитьвеенарушение, чтовполневозможновтеориивеликогообъединения. МысльЛиндеомедленномнарушениисимметриибылаоченьхороша, нопотоммнесталоясно, чтоегопузыридолжныбытьбольшенынешнейВселенной! Ядоказал, чтосимметриядолжнанарушатьсявсюдуодновременно, анетольковнутрипузырей. ТолькоэтопривелобыктойоднороднойВселенной, которуюмысейчаснаблюдаем. ЯбылсильновозбужденсвоейидеейиподелилсяеюсоднимизсвоихаспирантовЯномМоссом. ПодружившисьсЛинде, яоказалсявнекоторомзамешательстве, когдапозднееполучилизнаучногожурналапредставленнуюЛиндестатьюспросьбойотредакциидатьотзывоеепригодностидляпубликации. Всвоемответеянаписал, чтовстатьеестьоднаошибка (пузыридолжныбытьбольшеВселенной), ночтоосновнаяидеямедленногонарушениясимметриисовершенноправильна. Ярекомендовалстатьюдляпубликациивтомвиде, вкоторомонабыла, иначеисправлениязанялибыуЛинденесколькомесяцев, потомучтовсерукописи, отправляемыеизСоветскогоСоюзанаЗапад, должныбылипроходитьчерезаппаратлитературнойцензуры, которыйвтовремянепроявлялниособойквалификации, нискоростивобращенииснаучнымистатьями. МыжесЯномМоссомпослаливтотжежурналнебольшуюстатью, вкоторойуказалинасложности, возникающиесбольшимпузырем, ипоказали, какихможнопреодолеть.
ЧерезденьпослевозвращенияизМосквыяотправилсявФиладельфию, гдемнедолжныбыливручитьмедальИнститутаФранклина. МойсекретарьДжудиФелла, использоваввсесвоенемалоеобаяние, убедилавоздушноеагентствоВеликобритании продатьнамдвабилетана «Конкорд», пригрозиввпротивномслучаеоглаской. Ноподороге ваэропортменязасталчудовищныйдождь, ияопоздалнасамолет. Темнеменееявсе-таки попалвФиладельфиюиполучилмедаль. Потомменяпопросилирассказатьомодели раздувающейсяВселеннойнасеминаревУниверситетеДрекселавФиладельфии. Большуючастьвремения, какивМоскве, посвятилзадачам, связаннымсэтоймоделью, новконцеупомянулобиде