Чего нам не хватает, чтобы понять механизм зарождения космоса

Сила притяжения воздействует на каждый участок материи во Вселенной. Фото Pixabay

Сорви цветок на Земле, и ты сдвинешь с места дальнюю звезду.

Поль Дирак

До сих пор никто из физиков не смог объяснить, каким образом можно связать гравитацию с квантовыми явлениями. На уровне больших объектов общая теория относительности (ОТО) Альберта Эйнштейна успешно моделирует, как устроена гравитация. Но вот если Вселенная по объему не превышает атом, как это было в момент Большого взрыва, квантовая неопределенность затрудняет составление выводов об общей геометрии теории относительности. Поэтому и невозможно предсказать, как ведет себя гравитация в условиях сингулярности или, например, внутри черной дыры.

Материя и геометрия

Мы получили две изумительные теории, которые описывают гравитацию на макромасштабах (ОТО) и взаимодействие частиц на микромасштабах (квантовая механика). Они позволяют делать точные расчеты и прогнозы и объясняют многие неразрешимые феномены. Но эти теории не стыкуются друг с другом: если для трех из четырех фундаментальных взаимодействий (гравитационное, электромагнитное, сильное, слабое) мы смогли расписать их поля и, изощрившись математически, выписать обменные бозоны (а любое взаимодействие в природе является обменным), и даже обнаружили существование бозона Хиггса, который создает массу протонам и нейтронам, то для гравитации подобного сделать не получается. Гравитон тоже пока экспериментально не обнаружен.

Чтобы понять механизм зарождения космоса, нам нужна квантовая теория гравитации, которая объединит общую теорию относительности и квантовую механику. Эта теория должна быть квантовой по сути (потому что квантовая механика – самая на данный момент подтвержденная область физики), но создать ее можно будет только тогда, когда физики поймут, что собой представляет тяготение.

Такая теория закроет зияющую брешь между квантовым миром и классической реальностью и станет четвертой великой объединяющей теорией – после физики Ньютона, теории эволюции Дарвина и электромагнетизма Максвелла. В начале XXI века мы стоим на пороге новой революции. Поиск более эффективной теории, чем теория Эйнштейна – квантовой теории гравитации, – одно из величайших предприятий, за которые когда-либо бралась физика.

Теория Эйнштейна описывает гравитацию как воздействие физической материи на геометрические свойства пространства-времени. Эти свойства влияют на движение материи и другие физические процессы. В таком искривленном четырехмерном континууме движение тел «по инерции» (при отсутствии иных сил, кроме гравитационных) происходит по геодезическим линиям, аналогичным прямым в неискривленном пространстве.

В общей теории относительности Эйнштейн набрел на блестящую догадку: а что если эти линии уже изначально искривлены? Что если в сильном гравитационном поле тяготения геометрия обычного трехмерного пространства оказывается неевклидовой, а время течет медленнее, чем вне поля? Американский физик Джон Уилер описывает ситуацию таким образом: «Материя диктует пространству-времени, как изогнуться, а изогнутое пространство-время приказывает материи, как ей перемещаться». Но что влияет в первую, а что во вторую очередь – искривление геометрии Вселенной или наличие гигантских скоплений материи и энергии?

Нарушитель симметрии

Теория Исаака Ньютона использует кажущееся сверхъестественным понятие «действия на расстоянии»: Солнце дотягивается до Земли, как будто Земля прикреплена к нему за веревку, силами своего гравитационного притяжения, хотя между ними нет никакого посредника. Чем бы ни было обусловлено это влияние тел друг на друга, в теории Ньютона промежуточной «материи» оно не включает. Объясняя этот загадочный феномен, Ньютон скромно заявил: «Hypotheses non fingo», «гипотез не измышляю».

Сила притяжения воздействует на каждый участок материи во Вселенной. Гравитация возникает между вами и проходящим мимо человеком, между вами и мобильным телефоном у вас в кармане, между мочкой вашего правого уха и большим пальцем вашей левой ступни. В повседневных ситуациях сила гравитации слишком мала, чтобы произвести видимый эффект. Но чем больше масса объекта, тем она становится сильнее.

Что бы кто ни говорил, именно гравитация определяет общую геометрию Вселенной. Но чем обусловлена эта закономерность? В момент Большого взрыва, как и под горизонтом событий черной дыры, времени и пространства в том виде, к какому мы привыкли, еще нет – гравитация столь сильна, что не дает «стрелкам» вселенских часов ходу.

Но исчезни сила притяжения совсем, часы снова остановятся – так же, как нет течения внутреннего времени для безмассовых частиц бозонов, когда они со скоростью света и не подвластные гравитации путешествуют сквозь космический вакуум. (Юный Эйнштейн мечтал «оседлать» фотон и полетать на безмассовой частице.)

Американский физик Митио Каку утверждает, что как отдельной силы гравитации не существует, планеты и звезды движутся из-за искривления пространства и времени». Это объяснение полностью передает суть теории гравитации Эйнштейна. Структура физических, химических и биологических связей в такой Вселенной – исключительно виртуальная. Она существует лишь в математическом смысле – платоновском мире, точно так же, как и законы математики не нуждаются ни в каком физическом носителе, чтобы существовать.

Законы природы, такие как гравитация, не имеют собственного онтологического статуса. Планеты обращаются вокруг Солнца не потому, что «подчиняются» закону гравитации, как предполагал Ньютон, а закон гравитации (или, точнее, общая теория относительности, сменившая его) представляет сжатое выражение определенной природной закономерности. Что это за закономерность, и предстоит выяснить.

Когда пространство абсолютно плоское, а значит, геометрия Вселенной подчиняется законам Евклида, объект, обладающий хотя бы минимумом энергии, навсегда улетит от нас в просторы космоса и мы его больше не сможем наблюдать. Он перестает существовать в обычном смысле слова. Физики называют существование нарушением симметрии. Существовать – значит как-то нарушать симметрию. Тело, на которое не действуют никакие силы, будет где-то невообразимо далеко, в бесконечности космоса, только с ним уже больше ничего не будет происходить.

Но на любые тела, которые находятся в просторах физической реальности, все же действуют силы, сколь угодно далеко бы они ни находились от источника этих сил, – это и есть гравитация. Она, например, создает притяжение между вами и монетками в вашем кармане или между вами и проезжающими автомобилями. Конечно, это очень слабая сила: если вы вытянете руку, то напряжение мышц окажется сильнее, чем гравитация всей Земли. Но гравитации в большом масштабе нельзя противостоять, она контролирует эволюцию и судьбу всей Вселенной – нарушает симметрию.

Вселенная в лаборатории

Некоторые физики, когда речь заходит о расширении Вселенной, указывают, что расширяется прежде пространство – его координатные сетки, а не материя. Удлиняются расстояния между небесными телами, но сами объекты, связанные не гравитационными, а электромагнитными, слабыми и сильными взаимодействиями, при этом не претерпевают изменений в размерах. Возникает много «пустого» пространства, а Вселенная становится все более плоской на больших масштабах.

Квантовый вакуум, которым заполнено «пустое» пространство, имеет структуру, подчиняющуюся фундаментальным законам физики. Он содержит в себе энергию, которая, в отличие от гравитации, не притягивает, а, наоборот, расталкивает объекты Вселенной. Под действием отрицательного давления любой кусочек «несуществующего» вакуума испытывает безудержное расширение, влияя тем самым на «реальную» материю.

Поразительно, что обычная материя, состоящая из частиц, предусмотренных Стандартной моделью, составляет всего 5% всей массы-энергии Вселенной, да и из нее астрономы сумели увидеть в телескопы лишь половину. Предполагается, что вторая половина приходится на водородные облака, плавающие между галактиками.

Согласно теории Большого взрыва, масса вещества в момент сингулярности, когда Вселенная только родилась, должна была превосходить 1083 кг. Но откуда это бесконечное количество вещества, если до момента возникновения Вселенной ничего не было?

Вес наблюдаемой части Вселенной – больше 1053 кг. Инфляционная теория, приходящая в XXI веке на смену и дополняющая теорию Большого взрыва, научилась объяснять, как можно получить всю массу и энергию гигантской Вселенной менее чем из 1 кг вещества. Американский физик Андрей Линде утверждает, что достаточно всего стотысячной части грамма материи (стомиллионная доля килограмма), чтобы дать начало нашей Вселенной. Этого хватит, чтобы создать маленький островок вакуума, который взорвется и разовьется в миллиарды миллиардов звезд, наблюдаемых сейчас.

Возможно, что цивилизация, ушедшая в развитии дальше нашей, способна создать Вселенную в лаборатории. Этого, кстати, так боялись противники запуска Большого адронного колайдера в Церне. Вся материя в теории инфляции возникает из отрицательной энергии гравитационного поля, а это поле разбрасывает ее дальше по пустому пространству, будто краску из пульверизатора.

Поскольку гравитация, как и электромагнитное излучение – самая очевидная сила во Вселенной, Эйнштейн поставил себе целью описать ее на языке теории относительности. Он пришел к выводу, что гравитационное поле никак не влияет на результаты экспериментов при условии, что мы ограничимся относительно небольшими областями пространства и короткими интервалами времени.

А теперь сравните сложность обнаружения гравитационного поля с легкостью обнаружения, например, электрического поля. В случае гравитации отличие заключается в том, что не существует отрицательного гравитационного заряда. Или, как говорят физики, гравитационное поле – скалярное. Все во Вселенной реагирует на воздействие тяготения одинаково. Эйнштейн возвел это наблюдение до закона природы: принцип эквивалентности гласит, что никакие локальные эксперименты не позволяют обнаружить существование гравитационного поля. Но если гравитация – поле, то что тогда собой представляет квант этого поля – гравитон?

Существует интересная умозрительная теория о том, что мы могли бы создать черную дыру в ускорителе частиц, а затем наблюдать, как она распадается, испуская хокинговское излучение. Гравитация – невероятно слабое взаимодействие, и мы никогда не смогли бы построить достаточно мощный ускоритель частиц, чтобы сделать хотя бы микроскопическую черную дыру. Однако некоторые современные теории, включающие скрытые измерения пространства-времени, предполагают, что гравитация становится намного сильнее, чем обычно, на коротких расстояниях. В этом случае перспектива создания микроскопической черной дыры переходит из категории безумных в категорию умозрительных, но не совершенно безумных.

Космические иероглифы

Аргентинский физик Хуан Малдасена в 1998 году показал, что мы живем в голографическом мире, окруженном четырехмерной границей по краям, – как двумерная поверхность футбольного мяча окружает воздух, содержащийся внутри сферы. Уравнения границы содержат ту же информацию и описывают те же физические явления, что и более сложные уравнения для всей остальной Вселенной. Иными словами, влияние гравитации на внутреннюю часть такого мира математически эквивалентно теории квантового поля на его границе.

Мы живем на двумерной поверхности горизонта, но верим, что находимся внутри него, а видимая Вселенная – проекция трехмерной голограммы на двумерную поверхность.

Бинарность квантового и гравитационного описания открывает глубокую связь между квантовой теорией и гравитационной теорией Эйнштейна. Раньше они казались совершенно непохожими друг на друга, но может статься, что это две разные проекции одного и того же слона. Гравитация – это информация о мире, начертанная на двумерной поверхности его границы! Как и информация, полностью описывающая трехмерный объект – черную дыру, сохраняется на горизонте черной дыры – двумерной поверхности. Это делает горизонт событий похожим на голограмму – на манер ДНК человека, которая содержит информацию о том, из какой зиготы он однажды произошел.

Поскольку излучение Хокинга зарождается в вакууме в непосредственной близости от горизонта событий черной дыры, можно предположить, что микроскопические неровности ландшафта этого горизонта оказывают на излучение влияние. Эти неровности «модулируют» излучение, как голос диктора новостей или музыка модулируют волну радиостанции.

Таким образом, информация о звезде, предшествовавшей появлению черной дыры, переносится во Вселенную вместе с излучением Хокинга. Эта информация не теряется, а значит, один из самых важных законов физики – закон сохранения – продолжает отменно работать.

Физики посчитали работу Хуана Малдасены такой важной, что сослались на нее более 1000 раз в других научных трудах. Некоторые ученые всерьез полагают, что обнаружение связи между гравитацией и квантовой теорией так же важно, как открытие Максвелла о том, что электричество, магнетизм и свет можно объединить в единое целое. Мы на пути создания новой объединяющей теории, о которой всю жизнь грезил английский астрофизик Стивен Хокинг.

В картине мира, открытой Малдасеной, макровселенная представляет собой трехмерный остров, качающийся на поверхности десятимерного океана. Перед струнами, из которых состоит такая Вселенная, открываются две возможности: один конец струны может быть прикреплен к трехмерной бране или же струна может быть замкнута в кольцо и не контактировать с браной.

Известные нам фундаментальные частицы, входящие в Стандартную модель, относятся к первому типу поведения струны. А гравитон представляет собой кольцо, способное двигаться за пределами браны и исследовать все десять пространственных измерений разом.

Эта теория предлагает интуитивное объяснение одной из величайших загадок физики: почему гравитация настолько слабее других фундаментальных сил природы. Гравитон – просто сторонний наблюдатель, чурающийся вступать с другими струнами в какие бы то ни было энергетические союзы!

Столкновение бран

Если наша Вселенная действительно – трехмерная Атлантида, плавающая по поверхности десятимерного пространства-времени, логично спросить: а единственный ли это остров? Если нет, то может ли одна трехмерная брана столкнуться с другой? Именно на таком варианте развития событий строится новая гипотеза Большого взрыва, предложенная группой ученых под руководством физика Нила Турака из Канады.

Согласно этой схеме, однажды две пустые браны приблизились друг к другу в пятом измерении (за четвертое мы принимаем время). Они прошли друг сквозь друга. Так как в пятом измерении браны обладали огромной энергией, то в момент их соприкосновения она должна была куда-то деться: возникла масса и энергия субатомных частиц на бранах, которые потом нагрелись до невероятных температур – произошел Большой взрыв.

Огненный шар, возникший на каждой бране, расширился и остыл, а из обломков сформировались галактики, которые начали разлетаться. В конце концов материя на каждой бране оказалась столь разреженной, что они, по сути, снова стали пустыми. Вакуум в пятом измерении действует как пружина, снова прижимающая браны друг к другу.

Вот вам и ответ на загадку темной энергии! А наш Большой взрыв – это всего лишь одно событие из длинной цепи, которая началась в прошлом и продолжится в будущем.

Роль пространства-времени в структуре Вселенной наиболее ярко проявляется в гравитационных волнах. Пространство-время колеблется при движении массы, а колебания вызывают волны, как поплавок, брошенный в озеро. Только в этом случае они расходятся по всей ткани пространства-времени, во всех направлениях.

Одно из преимуществ гравитационной астрономии, которая стала доступна физикам после пуска уникального физического прибора, интерферометра Ligo, – это то, что гравитационные волны не могут экранироваться материей. Мы можем наблюдать состояния нашей Вселенной в момент 10–40 с, то есть практически сразу после Большого взрыва. Ни один доступный канал в астрономии не может так близко подойти к началу зарождения нашей Вселенной и получить нужную информацию.

Теперь у человечества открылось дополнительное «чувство» для понимания тайн Вселенной. Мы умеем принимать такие сигналы, которые раньше нельзя было отыскать никак. Эти сигналы не видны в телескоп, не видны ни в каких других спектрах излучения, кроме как в гравитационных волнах. Это дает совершенно новые знания о Вселенной: как она образовалась, формировалась в первые секунды и минуты и как происходила эволюция космоса. Открывается совершенно новый вид астрономии: изучение Вселенной с помощью гравитационных волн. Человечество обрело дополнительное чувство: оно научилось не только видеть, но и «слышать» Вселенную.

Теория Максвелла предсказала существование радиоволн, а потому сделала нашу планету миром коммуникаций, где данные постоянно передаются по воздуху. Ни Максвелл, ни его современники не могли предсказать подобного: если бы жители XIX века увидели телевизор, мобильный телефон или интернет, они посчитали бы их не технологическими артефактами, а проявлениям чудесного. Кто знает, что даст нам теория Эйнштейна, согласованная с квантовыми эффектами. Возможно, мы получим власть над самим пространством и временем – сможем создавать «кротовые норы», строить межгалактические космические корабли и мастерить машины времени.

«Наша способность путешествовать во времени зависит от законов квантовой гравитации, – заявляет лауреат Нобелевской премии физик Кип Торн, – и мы всего в нескольких шагах от их полного понимания. Нам нужно всего лишь 20–30 лет, а может, и того меньше». n

Ростов-на-Дону