Чего не знает современная наука - Сборник статей

Итак, Вселенная расширяется. Первым, как известно, это теоретически заметил Александр Александрович Фридман, было это в 1924 году. В Петербурге, тогда он назывался Петроградом, он преподавал в Артиллерийском училище, читал красноармейцам курс баллистики, а вечерами решал уравнения Эйнштейна. Он первым нашел решение этих уравнений в применении ко всей Вселенной и обнаружил, что стационарных решений нет. Фридман как математик всесторонне исследовал эту задачу и показал, что если описывать Вселенную в рамках общей теории относительности, то она обязательно должна или расширяться, или сжиматься и никогда не должна находиться в каком-то статическом состоянии. Он написал об этом Эйнштейну, Эйнштейн даже не ответил на его письмо, хотя было известно, что он его получил и читал. Он считал, что это полная чепуха, что нет оснований считать, что во Вселенной должна быть какая-то нестационарность.

Американский астроном Эдвин Хаббл открыл свой знаменитый закон в 1929 году, и пришлось признать, что Вселенная расширяется, хотя попытки сделать Вселенную стационарной продолжались и продолжаются до сих пор (сейчас не так активно), но тем не менее у нас нет ни одного серьезного указания, что это не так. Расширение Вселенной проявляется в разных экспериментах, по разным данным. Но раз это так, раз Вселенная расширяется, раз пространство нестационарно, возникло сразу несколько вопросов.

Если Вселенная расширяется сейчас, то в прошлом она должна была быть более компактной, все расстояния между объектами должны были быть меньше, и, соответственно, плотность должна быть выше. Если мы все это будем экстраполировать в далекое прошлое, то вообще должны придти к моменту, когда все физические величины, как говорится, уходят в бесконечность. Должны были существовать нулевой размер, бесконечная плотность. Мы не имеем права в физике работать с бесконечными величинами, и уж если говорить серьезно, то давайте будем работать до тех масштабов, до которых еще применимы известные законы физики. Эти малые масштабы получили название планковских. Их ввел в физику Макс Планк в начале XX века. Можно взять мировые постоянные: скорость света, постоянную Планка и постоянную гравитации, – и из них составить три величины с размерностями массы, длины и времени. Эти величины и носят название планковских единиц, и можно сказать (очень грубо, но правильно), что мы не можем идти в своем анализе на масштабы меньше планковских. Потому что тогда гравитация становится столь сильной, что нужно учитывать ее квантовые свойства. А все попытки проквантовать гравитацию до последнего времени не увенчались успехом. Сейчас есть некоторые идеи, но это уже отдельный разговор. Так вот эти масштабы очень маленькие, 10-33 см. То есть, зная современную физику, подтвержденную огромной совокупностью лабораторных, астрономических и других экспериментов, мы имеем право идти на пространственные масштабы лишь до 10-33 см.

Это, конечно, очень маленькая величина. Размер атома водорода – 10-9 см, атомного ядра – 10-13 см. А дальше мы ничего не знаем. Почему? Потому что если мы зондируем микромир с помощью ускорителей, с помощью экспериментов ядерной физики, то чем меньше масштаб, который мы хотим изучить, тем большую энергию мы должны придать частицам, и таким образом мы ограничены в своих возможностях просто мощностью современных ускорителей. С их помощью мы можем зондировать масштабы до 10-16 см. От современных ускорителей – 10-16 см, до планковских величин 10-33 см, т. е. еще 17 порядков. Ясно, что таких ускорителей никто никогда не создаст, потому что просто не видно путей, как можно их сделать, тем более что каждый порядок по энергии дается колоссальным трудом, требует колоссальных денег, которые ни Конгресс США, ни наше правительство, просто никто не хочет выделять. А там может быть интересная физика.

Итак, астрономические наблюдения доказали, что пространство во Вселенной является нестационарным, а из физических соображений следует, что его можно анализировать вплоть до масштабов 10-33 см. Если отвлечься от физики и говорить только о пространстве, долгое время, когда делали этот анализ, наталкивались на так называемый парадокс фридмановской космологии. Решения, которые получил Фридман, вошли в науку под названием «фридмановская космология». Если вы откроете какую-нибудь энциклопедию, изданную лет 10–15 назад, то там будет написано, что Вселенная может быть открытая или замкнутая. Открытая Вселенная бесконечно расширяется, замкнутая Вселенная расширяется до какого-то момента, а потом сжимается, плоская Вселенная тоже будет расширяться бесконечно, но по другому закону. Причем слова «открытая», «замкнутая» и «плоская» отождествлялись с геометрией Вселенной. У открытой Вселенной была геометрия пространства постоянной отрицательной кривизны, в ней сумма углов треугольника меньше 180°, у плоской – 180° и у замкнутой Вселенной сумма углов треугольника больше 180°.

Любопытно, что еще в конце 20-х годов XIX века Гаусс в Тюрингии пытался измерить кривизну пространства. На трех горах методом триангуляции он измерял углы треугольников и получал 180°. И хотя, согласно общей теории относительности, кривизна пространства у поверхности Земли все-таки есть, потому что Земля – это тяготеющее тело, но кривизна эта очень мала, а точность измерения была такая, что не позволяла ее заметить. Поэтому из его результатов автоматически не следовало, что пространство плоское.

Но вот к 80-м годам XX века появилось слишком много указаний на то, что ранняя Вселенная ведет себя совсем не так, как Вселенная, которую мы сейчас видим. Стало ясно: чтобы разрешить парадоксы, которые возникали при анализе очень ранней Вселенной, нужно так изменять пространство Вселенной, чтобы оно вело себя не так, как оно вело себя даже в соответствии с обычными классическими уравнениями Эйнштейна. В это время была предложена гипотеза, которая получила название «инфляционная Вселенная». Основная ее идея состоит в том, что для того, чтобы согласовать все наблюдения в нашей Вселенной, в очень ранние времена на планковских масштабах, при возрасте 10-40–10-43 секунды, надо вводить некую субстанцию, которую физики называют «скалярным полем». На самом деле эта субстанция не похожа на обычную материю, она не состоит из атомов – в те времена и атомов, конечно, никаких не было, ни молекул, ни электронов, ни фотонов, то есть ничего похожего на обычную материю, которая наблюдается сейчас во Вселенной и из которой состоит видимый мир. А было скалярное поле, которое обладало совершенно удивительными свойствами. Математически и физически правильная аналогия скалярного поля состоит в том, что рассматривается горка и шарик, который начинает медленно скатываться по горке, – и это скалярное поле тоже начало «скатываться» по этой «горке». Это наглядная аналогия уравнениям инфляционной модели. Причем оно скатывалось не просто так. В обычной жизни если вы станете на лыжи, то поедете с горки с ускорением. Здесь же введена еще некоторая сила трения, так что это скалярное поле начинает скатываться очень медленно, оно «ползет» по этой самой стеночке и в это время эффективно создает в той маленькой Вселенной колоссальную антигравитацию. Если гравитация действует как притяжение, то антигравитация действует как отталкивание. В результате Вселенная от этого маленького размера за очень короткое время, буквально за 10-30 сек., увеличила свой размер в е70 раз (е=2.71828… – это основание натурального логарифма). Маленький (планковский) размер первоначальной Вселенной на этой стадии превратился в колоссально большую область пространства. Причем нельзя думать, что эта Вселенная была погружена, как шарик, в некое объемлющее его еще большее пространство, и этот шарик увеличивал свои размеры относительно каких-то координат, – это неверная аналогия. Правильнее рассматривать равномерное увеличение всего пространства (хорошо известная двумерная аналогия – увеличивающаяся поверхность надуваемого воздушного шара; если бы мы были некими двумерными существами, живущими на этой – хочется сказать «в этой» – поверхности и не знающими о существовании «объемлющего» поверхность пространства, вопрос о том, куда расширяется эта поверхность, для нас не имел бы никакого смысла!).

Быстрое (говорят, инфляционное) расширение происходило, пока шарик падал «в самую низкую точку», в минимум потенциала. Здесь начинаются затухающие колебания (так как есть эффективное «трение»). Когда поле начинает колебаться вблизи минимума, оно теряет свою энергию. По современным представлениям, эти потери тратились на рождение элементарных частиц (кварков, лептонов, фотонов и др.), из которых впоследствии и образовалось современное вещество. В тот момент, через 10-30 сек. после начала расширения Вселенной, стало рождаться обычное вещество. Это были не металлы какие-нибудь или атомы, это были кварки, электроны и фотоны, то есть самые элементарные частицы, и температура их была колоссальна. Здесь ничто не могло больше образоваться. Потом в расширяющейся Вселенной весь этот «первичный бульон» стал остывать, из него сначала появились протоны, нейтроны. Потом протоны и нейтроны через одну секунду после «начала» расширения (которое в англоязычной литературе называют Большим Взрывом) стали образовывать легчайшие ядра элементов (это называется эпохой первичного нуклеосинтеза) – в основном водорода, гелия и их изотопов. А Вселенная в это время продолжала расширяться и остывать (но уже, так сказать, по инерции – первичная субстанция, порождавшая антигравитацию, распалась). Температура в ту эпоху была примерно миллиард градусов.