100 великих загадок астрономии - Александр Викторович Волков

В 1973 году американский физик Эдвард Трион попробовал описать процесс рождения нашей Вселенной, используя принцип неопределенности Гейзенберга, одну из основ квантовой теории. Согласно этому принципу, чем точнее мы, например, измеряем энергию, тем неопределеннее становится время. Итак, если энергия строго равна нулю, то время может быть сколь угодно большим. Настолько большим, что рано или поздно в квантовом вакууме, из которого и предстоит родиться Вселенной, возникнет флуктуация. Это и приведет к стремительному разрастанию космоса, казалось бы, из ничего. «Просто Вселенные иногда рождаются, вот и всё», – так незатейливо Трион объяснил подоплеку Большого взрыва. Это был большой Случайный взрыв. Только и всего.

А может ли Большой взрыв повториться? Как ни странно, да. Мы живем в мироздании, которое все еще может плодоносить и порождать новые миры. Созданы несколько моделей, которые описывают «Большие взрывы» будущего.

Почему бы, например, в том же вакууме, породившем нашу Вселенную, не появиться новым флуктуациям? Возможно, за эти 13,7 миллиарда лет рядом с нашим мирозданием возникло бесчисленное множество миров, которые никак не соприкасаются друг с другом. В них действуют различные законы природы, существуют разные физические константы. В большинстве этих миров жизнь никогда не могла бы возникнуть. Многие из них сразу гибнут, испытывают коллапс. Но в некоторых Вселенных – по чистой случайности! – складываются условия, при которых может зародиться жизнь.

Но дело не только в том вакууме, что пребывает до начала «всех времен и народов». Чреватые будущими мирами флуктуации могут возникать и в вакууме, что разлит в нашей Вселенной, – точнее, в темной энергии, заполняющей ее. Подобную модель «обновляющейся Вселенной» разработал американский космолог, уроженец СССР, Александр Виленкин. Нам эти новые «большие взрывы» ничем не грозят. Они не разрушат структуру Вселенной, не выжгут ее дотла, а лишь создадут новое пространство за пределами, доступными нашему наблюдению и пониманию. Возможно, подобные «взрывы», знаменующие рождения новых миров, происходят в глубинах многочисленных черных дыр, усеивающих космос, считает американский астрофизик Ли Смолин.

Другой уроженец СССР, живущий на Западе, космолог Андрей Линде полагает, что мы сами способны учинить новый Большой взрыв, собрав в какой-либо точке пространства громадное количество энергии, превышающее некий критический предел. По его расчетам, космические инженеры будущего могли бы взять незримую щепотку вещества – всего несколько сотых долей миллиграмма – и уплотнить его до такой степени, что энергия этого сгустка составит 1015 гигалектронвольт. Образуется крохотная черная дыра, которая начнет расширяться по экспоненте. Так возникнет «дочерняя Вселенная» со своим пространством-временем, стремительно отделяющаяся от нашей Вселенной.

…В природе Большого взрыва много фантастичного. Но справедливость этой теории доказывает целый ряд природных феноменов. К ним относятся наблюдаемое нами расширение Вселенной, картина распределения химических элементов, а также космическое фоновое излучение, которое так и называют «реликтом Большого взрыва».

Что было до Большого взрыва?

Мир не существует вечно. Он родился в пламени Большого взрыва. Но было ли это уникальным явлением в истории космоса? Или повторяющимся событием, вроде рождения звезд и планет? Что если Большой взрыв – лишь фаза перехода из одного состояния Вечности в другое?

Многие физики говорят о том, что изначально было Нечто, а не Ничто. Быть может, наша Вселенная, – как и другие, – родилась из элементарного квантового вакуума. Но как ни «минимально просто» подобное состояние, – а меньше, чем квантовый вакуум, не дозволяют быть законы физики, – его нельзя все же именовать «Ничто».

Может быть, видимая нами Вселенная – лишь очередное агрегатное состояние Вечности? А причудливое расположение галактик и галактических скоплений – что-то вроде кристаллической решетки, которая в n-мерном мире, существовавшем до рождения нашей Вселенной, имела совсем иную структуру и которая может быть предсказана «формулой всего», разыскивавшейся еще Эйнштейном? И будет ли она найдена в ближайшие десятилетия? Ученые напряженно вглядываются сквозь стену Неведомого, оградившего наше мироздание, пытаясь понять, что же было за мгновение до того, как, по привычным для нас представлениям, не было ровным счетом ничего. Какие формы Вечного космоса можно вообразить, наделив время и пространство теми качествами, которые немыслимы в нашем мироздании?

Большой взрыв　– лишь фаза перехода из одного состояния Вечности в другое

Среди самых многообещающих теорий, в которые физики пытаются втиснуть целую Вечность, можно назвать теорию квантовой геометрии, квантово-спиновую динамику или квантовую гравитацию. Наибольший вклад в их разработку внесли Абэй Аштекар, Тед Джекобсон, Ежи Левандовски, Карло Ровелли, Ли Смолин и Томас Тиманн. Все это – сложнейшие физические построения, целые дворцы, возведенные из формул и гипотез, – лишь бы скрыть таящуюся в их глубине и темноте прорву, сингулярность времени и пространства.

Окольные тропы новых теорий заставляют нас перешагивать через очевидные, на первый взгляд, истины. Так, в квантовой геометрии пространство и время, прежде дробимые бесконечно, вдруг разбиваются на отдельные островки – порции, кванты, меньше которых нет ничего. Все сингулярные точки могут быть вмурованы в эти «каменные глыбы». Само пространство-время превращается в переплетение одномерных структур – «сети спинов», то есть становится дискретной структурой, своего рода цепью, сплетенной из отдельных звеньев.

Объем минимально возможной петельки пространства составляет всего 10—99 кубического сантиметра. Эта величина настолько мала, что в одном кубическом сантиметре гораздо больше квантов пространства, чем тех самых кубических сантиметров в наблюдаемой нами Вселенной (ее объем составляет 1085 сантиметров в кубе). Внутри квантов пространства нет ничего, ни энергии, ни вещества – подобно тому, как внутри математической точки – по определению – не отыскать ни треугольника, ни икосаэдра. Однако если мы применим гипотезу о «субмикроскопической ткани Вселенной», дабы описать Большой взрыв, мы получим поразительные результаты, как показали несколько лет назад Абэй Аштекар и Мартин Боджовальд из Пенсильванского университета. Если заменить в Стандартной теории космологии дифференциальные уравнения, предполагающие непрерывное течение пространства, другими дифференциальными уравнениями, следующими из теории квантовой геометрии, то таинственная сингулярность исчезнет. Физика не заканчивается там, где начинается Большой взрыв, – таков первый обнадеживающий вывод космологов, отказавшихся принимать за истину в последней инстанции видимые нами свойства мироздания.

В теории квантовой гравитации предполагается, что наша Вселенная (как и все другие) родилась в результате случайной флуктуации квантового вакуума – глобальной макроскопической среды, в которой не было времени. Всякий раз, когда в квантовом вакууме возникает флуктуация определенных размеров, рождается и новая Вселенная. Она «отпочковывается» от той однородной среды, в которой образовалась, и начинает свою собственную жизнь. Теперь у нее – своя история, свое пространство, свое время, своя стрела времени.

В современной физике создан ряд теорий, которые показывают, как из вечно существующей среды, где нет Макровремени, но в отдельных точках которой течет свое микровремя, может возникнуть такой громадный мир, как наш.

Например, итальянские физики Габриэле Венециано и Маурицио Гасперини в рамках теории струн предполагают, что изначально существовал так называемый «струнный вакуум». Случайные квантовые флуктуации в нем привели к тому, что плотность энергии достигла критической величины, и это вызвало локальный коллапс. Он завершился рождением нашей Вселенной из вакуума.

В рамках теории квантовой геометрии Абэй Аштекар и Мартин Боджовальд показали, что пространство и время могут возникать из более примитивных фундаментальных структур, а именно «сетей спинов».

Экхард Ребхан из Дюссельдорфского университета и – независимо от него – Джордж Эллис и Рой Маартенс из Кейптаунского университета развивают идею «статической Вселенной», которую обдумывали еще Альберт Эйнштейн и британский астроном Артур Эддингтон. В своем стремлении обойтись без эффектов квантовой гравитации Ребхан и его коллеги придумали сферическое пространство, которое пребывает посреди вечной пустоты (или, если хотите, пустой вечности), где нет никакого времени. Ввиду некоторой нестабильности здесь развивается инфляционный процесс, что и приводит к горячему Большому взрыву.