Таинственные явления природы и Вселенной - Сергей Минаков

«Ничто» можно ассоциировать с тем, что космологи называют «пространственно-временной пеной». В планковских масштабах становятся существенными не только квантовые флуктуации энергии вакуума, но и флуктуации самого пространства-времени. Пространство и время перестают быть непрерывной сплошной тканью. Сама геометрия пространства-времени спонтанно меняется каждые 10–43 с. Понятия вроде «место», «перемещение», «прошлое», «настоящее», «будущее» и многие другие, кажущиеся нам естественными, просто теряют смысл. Более того, можно сказать, что пространство и время не действительны, а виртуальны, как виртуальные частицы. Это значит, что никакого пространства и времени просто нет, они в точном смысле нереальны — «невещны», это чистое «ничто»; они есть просто проявление принципа неопределенностей, пена вероятностей того, что пространство-время обладает той или иной метрикой, топологией, количеством измерений и т. д.

И вместе с тем состояние «ничто» нельзя определить как абсолютное небытие. Туннелирование описывается законами квантовой механики. Объяснить это довольно сложно… Законы физики должны существовать, несмотря на отсутствие Вселенной. Однако сами законы квантовой механики таковы, что в планковских масштабах как бы сливаются с собственными проявлениями, с тем, что ими управляется — законы и реалии, которые им подчиняются, становятся неразличимыми. Соотношение неопределенностей — хороший пример. Это соотношение вероятностей. Но можно сказать, что только эти вероятности и существуют на этапе возникновения Вселенной как упомянутая пространственно-временная пена.

Если до возникновения Вселенной в описанном выше смысле ничего не было, тогда что же вызвало туннелирование? Как это ни удивительно, ответ состоит в том, что никакой причины для этого не нужно. Почему? Да потому, что вместе с другими понятиями теряет смысл и понятие причины, причинности. В классической физике причинность — краеугольный камень. Можно точно определить, что случится в каждый следующий момент времени, исходя из случившегося в прошлом. Однако в квантовой механике поведение физического объекта по сути непредсказуемо, и некоторые квантовые процессы совершенно беспричинны. Большинство наших представлений неразрывно связаны с пространством и временем, так что мысленную картину Вселенной, возникающей из ничего, создать действительно непросто.

Здесь уместно вспомнить одну коллизию из истории стихосложения. Английский поэт XVIII века Александр Поуп в благоговении написал следующие строки:

Кромешной тьмой был мир окутан,И в тайны естества наш взор не проникал,Но Бог сказал: «Да будет Ньютон!»И свет над миром воссиял.

В XX веке на хвалебную оду Поупа другой англичанин, Джон Сквайр, тоже поэт, ответил эпиграммой:

Но сатана недолго ждал реванша.Пришел Эйнштейн — и стало все, как раньше.

Сингулярная точка с бесконечной кривизной в классической фридмановской модели превращается в квантово-вероятностное «ничто», из которого рождается Вселенная. Вы можете сказать: ну прогресс так прогресс! Было непонятно, теперь стало… совсем непонятно! Однако разница очень велика. Если в первом случае речь шла по существу о признании наукой собственного бессилия перед проблемой возникновения Вселенной, то во втором случае мы имеем последовательное физико-математическое описание с развернутой интерпретацией. Ну а что до понятности… Вспомним еще раз определение Нильса Бора — а именно он вместе с Вернером Гейзенбергом, собственно, и придумал квантовую теорию: идея в современной физике должна быть совершенно безумной, чтобы оказаться верной. И потом, было бы странно, если бы такие вещи, как рождение Вселенной и начало мира, выглядели простыми, легкими и понятными. Не правда ли?

Невесомость негативно влияет на состояние здоровья человека: жидкости в организме перемещаются вверх, кости начинают интенсивно терять кальций. Лица людей становятся одутловатыми, также происходит закупорка носа и нарушения в функционировании кишечника.

Суперармагеддон

А что же случится с нашей областью Вселенной и вообще со Вселенной в будущем? Каким оно будет?

Теория вечной инфляции говорит нам, что Вселенная как целое будет существовать вечно, но наша местная область — наблюдаемая Вселенная — вполне может иметь конец. Этот вопрос был в центре внимания космологов на протяжении большей части XX столетия, и за это время их представления о конце света несколько раз менялись.

Классическая космологическая модель, появившаяся с легкой руки Александра Фридмана, делает сценарии конца нашей Вселенной вполне однозначными. Перспективы будущего нашего космоса основаны на том, является ли Вселенная открытой, плоской или замкнутой. Открытая и плоская Вселенная будут расширяться вечно, тогда как замкнутая переживет повторное сжатие по истечении определенного времени.

Вселенная подвергнется коллапсу и большому сжатию, если ее плотность больше некоторого критического значения, и продолжит вечно расширяться в противном случае. Допустим, расширение Вселенной будет постепенно замедляться и затем сменится сжатием. Сначала сжатие будет медленным, потом все ускоряющимся. Галактики станут сходиться все ближе, пока не сольются в огромный конгломерат звезд. Небо будет делаться все ярче, но не из-за звезд — все они, скорее всего, умрут к тому времени, — а из-за растущей интенсивности космического микроволнового излучения. Оно разогреет остатки звезд и планет до неприятно высоких температур. Жить в таких условиях станет трудно, как ракам, которых варят, чтобы подать к пиву. Наконец, звезды разрушатся в столкновениях друг с другом или испарятся под действием мощного теплового излучения. Образовавшийся горячий огненный шар будет похож на первичный огненный шар Гамова. Но теперь он окажется сжимающимся, а не расширяющимся. Еще одно отличие варианта Гамова в том, что сжимающийся огненный шар сильно неоднороден. Сначала более плотные области сожмутся в черные дыры, которые затем будут объединяться и укрупняться, пока все не объединятся в одном большом сжатии, которое устремится к сингулярности.

В противоположном варианте — при плотности меньше критической — гравитационное притяжение вещества окажется слишком слабым, чтобы остановить расширение и превратить его в сжатие. Вселенная будет неограниченно долго расширяться. Через триллион лет все звезды исчерпают свое ядерное топливо, и галактики превратятся в скопища холодных звездных остатков — белых карликов, нейтронных звезд и черных дыр. Вселенная станет совершенно темной, с призрачными галактиками, разлетающимися прочь в пустоте все возрастающих размеров. Такое положение дел сохранится по меньшей мере 1031 лет, но в конце концов нуклоны, из которых состоят звездные остатки, распадутся, превратившись в легкие частицы — позитроны, электроны и нейтрино. Электроны и позитроны аннигилируют в фотоны, и мертвые звезды медленно растворятся.

Даже черные дыры не существуют вечно. Согласно знаменитой догадке Стивена Хокинга, из них должна происходить утечка излучения, а значит, они постепенно потеряют свою массу (это известный всем физикам эффект «испарения» черных дыр). Так или иначе, менее чем через гугол лет все знакомые нам структуры во Вселенной перестанут существовать. Звезды, галактики и их скопления исчезнут без следа, оставив после себя лишь становящуюся все более разреженной смесь нейтрино и излучения.

Для того чтобы определиться с судьбой Вселенной, необходимо измерить фактическое значение ее плотности. Более полувека астрономы пытались это сделать. Однако природа не хотела раскрывать свои долгосрочные планы. Отношение реальной плотности Вселенной к критической плотности всякий раз удивительным образом оказывалось близким к 1, а точности измерений не хватало, чтобы все же определить, больше оно или меньше.

Большое сжатие и неограниченное расширение казались равновероятными. Однако важнейшая космологическая идея последнего времени — идея инфляции — дает на этот счет весьма определенные предсказания. Во время инфляции, как мы уже знаем, плотность Вселенной как раз и должна становиться предельно близкой к критической. Говоря по— другому, те, кого мучают кошмары по поводу скорого большого сжатия, могут расслабиться. Конец будет медленным и скучным: холодный остаток Солнца будет целые гуголы лет висеть в пустоте, дожидаясь, пока распадутся все его нуклоны.

Если некая Вселенная имеет критическую плотность материи, то процесс образования структур растягивается на огромный отрезок времени. Поэтому в такой Вселенной и могут образоваться крупные структуры: сначала возникают галактики, затем они сбиваются в скопления, а те впоследствии образуют сверхскопления. Между прочим, именно в этом случае Вселенная обладает нужными свойствами, чтобы разрешить возникновение и развитие жизни. Хотя до полного понимания жизни и ее эволюции нам чрезвычайно далеко, относительно определенным является одно: на это уходит много времени. Появление человека заняло на нашей планете около 4 млрд лет, и мы готовы поставить на то, что в любом случае для возникновения разумной жизни должен пройти, как минимум, миллиард лет. Таким образом, Вселенная в целом должна прожить миллиарды лет, чтобы позволить развиться жизни, по крайней мере, в случае биологии, хоть сколько-нибудь напоминающей нашу.