Вселенная как резиновый коврик, мыльная пена и магазин одежды. Физик Брайан Грин на простых примерах объясняет, что такое космическая инфляция и теория струн, и почему наш мир не единственный.
Один из самых известных физиков, работающих в области теории струн, профессор Колумбийского Университета Брайан Грин прочел в Москве лекцию «Тайна темной энергии и будущее Вселенной».
Возможно, существует множество Вселенных. Не только наша. Крайне непривычная идея для большинства, – начал свое выступление Брайан Грин
«Моя дочь с рождения слышала, как я говорю в той или иной форме об этих идеях. Однажды, когда ей было три с половиной, я сказал ей: София, я люблю тебя больше всего во Вселенной! А она ответила: папа, во Вселенной (Universe ) или в Мультивселенной (Multiverse)?».
Идея Мультивселенной уводит нас за пределы зоны интеллектуального комфорта и наших привычных представлений о мире. Даже для ученых она остается достаточно спорной и экстравагантной.
В первой части лекции Брайана Грина изложены разделяемые всем научным сообществом взгляды на гравитацию, происхождение Вселенной и Большой взрыв; вторая часть посвящена не столь однозначным идеям из области инфляционной теории и теории струн, над которой работает Грин. Они могут оказаться правильными, могут - ошибочными, но в любом случае они открывают крайне захватывающие возможности для нового описания нашего мира.
И обе части лекции - каждая своим путем - подводят нас к мысли о возможности иных Вселенных.
Часть 1. Гравитация. Большой взрыв. Космическая инфляция
Понимание силы тяжести — ключевая научная идея, проходящая через всю историю физики. Гравитация — глобальная сила, формирующая структуру космоса и ответственная за самые крупномасштабные эффекты во Вселенной.
Первые попытки понять силу тяжести в истории науки восходят к Исааку Ньютону. Он придумал то, что мы теперь называем классической теорией тяготения Ньютона. Закон, который мы до сих пор учим в старших классах, гласит, что любой объект во Вселенной притягивает любой другой объект с силой, зависящей от двух факторов: массы объектов и расстояния, на котором они находятся друг от друга.
Простейший пример. У нас есть звезда вроде Солнца, планета вроде Земли и математический закон, позволяющий прогнозировать траекторию движения Земли и других планет вокруг Солнца. Удивительно, но когда вы смотрите на небо, планеты находятся именно там, где предсказывает математическое уравнение Ньютона. Сегодня даже неосведомленные в физике люди принимают это как должное.
«Но подумайте, насколько удивительно, что Исаак Ньютон сидел с бумагой и карандашом, выводил свои маленькие математические уравнения и вдруг обнаружил, что они описывают движение объектов там, в небесах. Восхитительный и значительный шаг вперед в наших попытках понять, как работает Вселенная».
Это произошло во второй половине XVII века. На протяжении поледующих 250 лет человечество считало, что Ньютон постиг силу тяжести, исчерпав эту тему до дна ; что она стала пройденным этапом в нашем стремлении понять природу вещей. Но тут на сцену физики вышел новый мыслитель.
Альберт Эйнштейн понял, что описание гравитации, данное Ньютоном, не может быть полным и окончательным. Да, оно может быть близким приближением к истине. Но Ньютон не учел чего-то крайне важного, с чем столкнулся Эйнштейн.
Пятилетние дети часто задают наивные, прямые и очевидные вопросы, которые взрослые просто отметают в сторону. Эйнштейн был в науке таким ребенком. Он просто спросил себя: как работает гравитация? У нас есть Солнце, оно удерживает планеты на орбитах. Мы назвали это силой притяжения, силой тяжести. Но как она делает то, что делает? От Солнца к Земле ведь не протянуто никакой веревки. Нет никакой гигантской руки, которая держала бы Землю. Каков же механизм, посредством которого гравитация выполняет свою работу?
В поисках ответа Эйнштейн обратился к «Математическим началам натуральной философии», чтобы узнать, что сам Ньютон думал по этому поводу. Поразительно, но оказалось, что Ньютон фактически признает: «Вообще-то, я не знаю, как работает сила тяжести. Оставляю этот вопрос на усмотрение самих читателей». Большинство читателей классической работы Ньютона пробежали глазами эту строчку и просто продолжили чтение. Эйнштейн отказался не таков. Он принял вызов и потратил 10 долгих лет, ломая голову в попытках понять, то до чего не дошел Ньютон. И в1915 году Эйнштейн дал миру новую теорию гравитации: общую теорию относительности. Вот что он предложил. (физики любят эту аналогию, хоть она и не идеальна).
Забудьте на мгновение о Вселенной. Вместо нее представьте себе лист резины. Мы берем маленький шарик, например, для петанка, и кидаем его на лист Шарик покатится, почти не оставляя за собой заметной колеи. Теперь возьмем объект потяжелее, шар для боулинга. Прокатим его по листу резины. Лист деформируется, изогнется под тяжелым шаром, который оставит за собой колею,.
Эйнштейн сказал: вот вам идея! Но примените ее не к резиновому листу, а к Вселенной. Представьте, что ткань пространства податлива, как резиновый коврик. И представьте, что такой объект, как Солнце, искажает среду вокруг себя — просто в силу того, что он есть. Как шар на листе резины. Земля не сходит с орбиты, потому что катится по «желобу» в искривленном пространстве вокруг Солнца. Пространство Эйнштейна оживает, оно податливо, тут и там отмечено воздействием гравитации. Объекты оставляют в нем колеи.
Это не просто образы, которые можно проиллюстрировать наглядными примерами. Идеи Эйнштейна имели в своей основе математику. Эйнштейн использовал свои уравнения, чтобы предсказать положение определенных звезд на небе, и во время солнечного затмения 1919 года его предсказание подтвердилось наблюдениями.
К 1919-1920 годам теорию гравитации Эйнштейна приняло все научное сообщество, в том числе и Жорж Леметр, бельгийский аббат, отличавшийся от других католических священников тем, что у него была докторская степень по физике. Когда он увидел уравнения Эйнштейна, ему пришло в голову: нечто неожиданное.
«Давайте применим их, скажем, не только к Земле, вращающейся вокруг Солнца, а к Вселенной целиком, ко всему космосу. Я хочу выяснить и проанализировать, как Вселенная будет выглядеть, если уравнения Эйнштейна верны везде и всегда», – сказал Леметр. Когда он предпринял свой анализ, то пришел к неожиданному заключению: Вселенная просто не может быть неизменяемой и статичной, как считали все, включая Эйнштейна.
Конечно, если посмотреть на чистое звездное небо, нам покажется, что ничего не происходит, а звезды — это просто точки света, которые пришпилены к пустоте . Но расчеты Леметра показали, что уравнения Эйнштейна на самом деле рисуют совершенно иную картину. Из них следовало, что Вселенная должна со временем расширяться или сжиматься. Леметр презентовал свою идею Эйнштейну в 1927 году на конференции в Брюсселе. В ответ Эйнштейн заметил, что с математическими расчетами у него, конечно, все неплохо, но нельзя полагаться исключительно на математику. Нужно иметь глаз художника, чтобы определить, какие математические идеи применимы к реальности.
Эйнштейн понимал, что расчеты Леметра правильны - несколько ранее русский физик Александр Фридман пришел к точно такому же выводу о динамичности Вселенной. Фридман тоже показывал свои результаты Эйнштейну, но для того абстрактный анализ, не подкрепленный наблюдениями, не имел отношения к реальности. Эйнштейн не верил в нестационарную Вселенную.
Так продолжалось до тех пор, пока на сцену науки не вышел астроном Эдвин Хаббл. Его наблюдения подтвердили, что далекие галактики действительно разбегаются. Хаббл установил, что Вселенная не статична, она и правда изменяется в точном соответствии с умозрительным анализом Леметра и Фридмана, которые использовали уравнения Эйнштейна.
Но если Вселенная непрерывно расширяется, значит, раньше Вселенная была меньше. Значит, когда-то она была крошечной точкой. Значит, в начале времен произошло то, что мы теперь называем Большим Взрывом. Это был довольно резкий поворот в наших представлениях о мироздании.
Советский физик Георгий Гамов и его коллеги Ральф Альфер и Роберт Герман предоставили тому несколько еще более изысканных и ощутимых доказательств, чем разбегающиеся в разные стороны галактики Хаббла.
Они первым поняли, что если в своем первоначальном состоянии Вселенная действительно была сжатой, то после Большого Взрыва должно сохраниться остаточное тепло, реликтовое излучение, которое заполняет собой все пространство Космоса, и которое можно зафиксировать и измерить. Они сделали первые математические расчеты, описавшие это пронизыващее космос тепло, и предложили экспериментально проверить свои данные, но никто их не послушал. В середине XX века физиков больше привлекала квантовая механика, а космология была не столь популярна. И ученые на некоторое время забыли о теоретически предсказанном реликтовом излучении.
Но в 1964 году американские физики Роберт Дикке и Джим Пиблс пришли к идее реликтового излучения независимо от Гамова. Примерно в то же время Арно Пензиас и Роберт Вильсон работали над созданием нового типа антенн в Bell Labs. В ходе испытаний они заметили источник атмосферного шума, от которого никак не удавалось избавиться. Ученые чистили антенну, переделывали ее, однако она продолжала улавливать этот загадочный фоновый шум. В итоге Пензиас и Вильсон установили, что антенна слышит шум космического электромагнитного излучения, существование которого было предсказано несколькими поколениями математиков. Так теория Большого Взрыва получила гораздо более крепкое и проверяемое основание, нежели просто математические расчеты, и стала общепризнанной.
Однако оставалась большая проблема. Если Вселенная началась с Большого Взрыва, то что спровоцировало сам взрыв? Что было «взрывчаткой», «топливом», на котором работает растущая Вселенная?
Когда мы говорим о больших массах материи, определяющей их поведение силой выступает гравитация. Но гравитация вообще-то притягивает вещи, а не расталкивает. Что могло «растолкать» материю в момент Большого взрыва? Используя математику, ученые пытались выяснить, что произошло в нулевой момент времени, но не могли получить ответа.
Это уже приближает нас к современности, сказал Грин, к открытиям Алана Гута и Андрея Линде. Тут лектор признался, что любит сравнивать фотографии этих физиков с портретом грустного Фридмана и раз за разом отмечать, насколько счастливее выглядят современные космологи.
«Почему они так счастливы? Потому что мы получили поразительные ответы на вопрос о том, что побудило Вселенную расширяться».
Гут и Линде, используя уравнения Эйнштейна, обнаружили, что в определенных экзотических средах гравитация может быть не притягивающей, а отталкивающей, «репульсивной» силой. Они смогли убедительно доказать, что на ранних порах Вселенная представляла собой именно такую экзотическую среду, наполненную определенным видом «топлива», расталкивающего вещи. Их открытие и легло в основу инфляционной модели Вселенной.
Гут и Линде также пришли к выводу, что температура микроволнового фонового излучения должна варьироваться в разных «местах» космоса, и их расчеты в точности предсказали результаты дальнейших наблюдений. Так реликтовое излучение стало одним из главных доказательств Большого взрыва.
В конечном итоге, по словам Грина, инфляционная теория свидетельствует, что «топливо» Большого Взрыва настолько эффективно, что оно не могло израсходоваться целиком — его должно было хватить на множество Больших Взрывов.
«Это значит, что некоторая часть топлива была использована в нашем Большом Врыве, но остается еще неизрасходованное топливо для других Больших Взрывов.
Что означает, что наш Большой Взрыв не привел к созданию Вселенной. Он привел к созданию… просто вселенной. Другие большие взрывы создали другие миры. Наша вселенная — один из мыльных пузырей в огромной космической ванне, полной похожих пузырей. Это тот поразительный вывод, к которому нас подводит современная космология».
Часть 2. Теория струн. Темная энергия. Мультивселенная
Теория струн пытается ответить на другой вопрос, которым человечество задавалось на протяжении тысячелетий: из чего все сделано? Из каких элементов составлены все вещи в окружающем нас мире? Возьмите любой материал, например, кусочек дерева. Расщепите его пополам, затем еще раз пополам, затем еще, деля мериал до самых мелких частиц. Каким будет мельчайший неделимый ингредиент? Мы знаем, что, если продолжать достаточно долго, получатся молекулы. Если разделить и их, мы обнаружим атомы.
Мы также знаем, что сами атомы — не мельчайшие ингредиенты; они тоже могут быть расщеплены. Мы получим электроны, вращающиеся вокруг ядра, состоящего из нейтронов и протонов. Наконец, нейтроны и протоны тоже не будут мельчайшими ингредиентами. Они состоят из крошечных частиц, известных как кварки.
Кварки мы представляем себе как крошечные точки без всякой внутренней структуры – если угодно, без очередной матрешки внутри. Дальше материя не делится. Конец. Тупик. Это именно тот момент, когда требуются новые спорные, спекулятивные идеи.
Идея теории струн состоит как раз в том, что фундаментальные частицы могут оказаться не последней матрешкой. Даже самые маленькие частицы могут обладать еще более мелкой структурой, и математический анализ (который Грин опустил в связи с нехваткой времени) допускает, что внутри этих частиц могут находиться маленькие нити (филаменты), крошечные струны энергии. Отсюда и происходит название теории струн.
Похожие на струны нити могут вибрировать в разных последовательностях (паттернах), как струны скрипки или виолончели. Когда мы играем на виолончели, мы касаемся струн, чтобы извлечь ту или иную мелодию. Согласно теории струн, когда струна колеблется тем или иным образом, получаются те или иные частицы. Струна, вибрирующая одним образом, может быть электроном, другим — кварком, и так далее. Это и есть теория струн в двух словах.
Это лишь гипотетическая идея: у нас нет никаких доказательств истинности такой картины мира, оговорился Грин.
«Вам, может быть, интересно — почему? Кажется, достаточно естественно проверить эту теорию, верно? Можно взять частицу и разрезать, и если мы увидим эту маленькую вибрирующую струну, наша теория верна».
Однако титаническая сложность такой экспериментальной проверки продиктована масштабами предмета исследования. Расчеты предполагают, что размер струн составляет 10^-35 м. Если взять один атом и увеличить его до размеров всей видимой Вселенной, в том же масштабе струна будет приблизительно размером с дерево. У человечества на данный момент просто нет технологий и оборудования для проверки такой идеи.
«Почему люди воодушевлены этими идеями — отдельная история, но если в двух словах, то теория струн способна объединить гравитацию и квантовую механику в одну устойчивую систему. Именно этого ученые пытаются добиться долгое время. Вот почему теорию струн воспринимают всерьез».
Теория струн тоже подводит к идее о множестве вселенных. Когда ученые изучали уравнения теории струн, выяснилось, что расчеты работают только при наличии у нашей Вселенной более трех измерений. Картинка атома, состоящего из крошечных нитей, полностью рушится, если у нас нет измерений кроме «вверх-вниз», «назад-вперед» и «влево-вправо». Если существуют только измерения, о которых нам известно из непосредственного опыта, теория струн не работает. Ученые, однако, обнаружили, что если допустить возможность, что доступные нашему опыту измерения — не единственные, и что существуют дополнительные пространственные измерения, тогда, при нужном количестве последних, а именно десяти, теория работает.
«Вы, конечно, можете сказать — ну, это прекрасные расчеты, но в реальности, очевидно, есть только вверх-вниз, назад-вперед, влево-вправо. Точка. Конец истории. Но на самом деле количество измерений пространства — экспериментальный вопрос, проблема наблюдения».
Если новые измерения пространства незаметны ни невооруженному глазу, ни современному оборудованию, то можно предполагать, что они могут быть спрятаны в самой ткани пространства, считает Грин.
«Они будут скручены в интересные геометрические фигуры, а струны будут вибрировать особым образом под воздействием формы дополнительных измерений».
Грин вспомнил, что когда он был студентом в 1980-х, его диссертация была посвящена вопросу, как может выглядеть Вселенная с учетом разных возможных форм дополнительных измерений (ученые тогда допускали лишь пять форм дополнительных измерений).
«Так что мы с коллегами брали первую форму из списка и проводили математический анализ, выясняя, как бы выглядела Вселенная, если бы дополнительные измерения, влияющие на вибрацию струн, были этой формы. Результаты не согласовывались с известным нам образом мира. Струны вибрировали, создавая иные частицы с иными свойствами, чем мы знаем».
Естественным желанием молодого ученого стало провести анализ следующей формы из списка. Но, обратившись к списку, Грин и его коллеги обнаружили, что тот уже значительно пополнился. Физики описывали все больше и больше гипотетических форм для гипотетических дополнительных измерений пространства. К 1990-м список вырос до тысячи возможных форм. Со временем тысячи стали миллионами. На стыке веков список, по словам Грина, «практически взрывался». На сегодняшний момент он вырос до 10^5 сотен возможных форм дополнительных измерений.
«Шокирующе большое число. Оно многократно превышает количество частиц в видимой Вселенной. Что же делать с этой странной возможностью?»
Среди ученых на эту новость были распространены три типичные реакции, говорит Грин. Самая распространенная заключалась в том, чтобы сказать: «Мы не знаем, какая из возможных форм “правильная”. Мы никогда ничего не сможем подсчитать с этими 10^5 сотнями возможностей. Я бросаю теорию струн. Поработаю где-нибудь еще. Например, в симпатичном финансовом секторе на Уолл-стрит».
Вторые говорили: «Игра стоит свеч. Корпели над теорией 30 лет, сдюжим и еще. Надо продолжать. Может, найдем какое-нибудь уравнение, которое подскажет нам правильную форму для дополнительных измерений».
Но наиболее революционной была реакция третьей группы ученых. Они сказали: «Слушайте, может, нам следует отнестись серьезно к тому факту, что наши расчеты допускают столько форм дополнительных измерений? Может, это свидетельство того, что нет одной определенной формы для дополнительных измерений? Но, напротив, каждая фигура реальна в том смысле, что есть множество вселенных. Множество вселенных, каждая со своей собственной формой для дополнительных измерений. А наша лишь одна из них?».
После Хаббла все мы знаем, что вселенная расширяется. Но мы думали, что расширение замедляется со временем. Все мы были уверены, что наблюдения за отдаленными галактиками покажут, что они разбегаются все медленнее и медленнее из-за силы притяжения. Но в 1990-х группа астрономов (Сол Перлмуттер, Брайан Шмидт, Адам Рисс) опровергли эти представления. Все оказалось ровно наоборот: Вселенная не просто расширяется, но делает это с ускорением. Далекие галактики движутся все быстрее, быстрее и быстрее .
В 2011 году они получили Нобелевскую премию «за открытие ускоренного расширения Вселенной посредством наблюдения дальних сверхновых». Космическое “топливо”, отвечающее за ускоряющееся расширение, получило название темной энергии. Однако, если пытаться выяснить, сколько именно темной энергии приходится на, скажем, каждый самый маленький участок пространства Вселенной, обнаружится нечто странное. Ее количество стремиться к нулю и представляет крайне малое число: после десятичной точки следует сто двадцать два нуля и на конце, вдруг, число «138».
Объяснение этого числа — глубочайший из вопросов современной теоретической и наблюдательной физики. Никто не мог дать на него ответ.
«Так и есть. Никто не в состоянии сделать этого, если они предполагают, что Вселенная только одна. Но если вы допускаете возможность других вселенных, к которой нас подвела инфляционная космология, описывающая множество Больших Взрывов, и, независимо от нее, идея теории струн о множестве разных форм дополнительных измерений — тогда, само собой, вы придете к возможному объяснению этого странного числа».
Объяснение оказывается простым. Если было множество больших взрывов, которые дали начало множеству вселенных, и в каждой вселенной теория струн предполагает разные формы дополнительных измерений, тогда, следовательно, в каждой вселенной будет разное количество темной энергии: разные формы измерений, разные вибрации струн, разные свойства частиц. И по крайней в одной из этих вселенных будет именно такое же количество темной энергии, что и у нас, — просто в силу спектра статистических возможностей.
«Это как поход в магазин одежды. Вы выбираете куртку, продавец дает вам какую-то модель, она идеально подходит вам. Если бы в магазине продавался только один размер, вы бы удивились, что он именно тот, который подходит вам. Но как только вы узнаете, что в магазин есть много курток разных размеров, и продавец просто подобрал ту, которая подходит вам, из всего спектра возможностей, — это уже пересает быть тайной, почему в магазине есть подходящий вам размер».
Подобно тому, как в магазине есть много курток разных размеров и одна - вашего, так и мы можем представить много вселенных и из всего спектра возможных вселенных будет одна, соответствующая нашим параметрам.
Но если идея темной энергии верна, если Вселенная и вправду равномерно (хоть и в очень малых количествах) заполнена этим «топливом», расталкивающим галактики, и его количество не меняется со временем, то будущее нашего мира выглядит довольно мрачно.
С течением времени Вселенная будет расширяться быстрее и быстрее, галактики будут отдаляться дальше и дальше друг от друга. Вселенная будет все более разрозненной, диффузной и холодной. И уж точно условия в ней не будут сопутствовать поддержанию жизни в известных нам формах.
«Жизнь в том виде, в каком мы ее знаем, и, возможно, даже в том, в каком не знаем, — временный феномен во Вселенной, который существует крошечную толику космического времени. Жизни не было в ранней Вселенной, затем она расцвела в нашем временном окне, а в далеком будущем условия будут не слишком гостеприимны для жизни и все, чего мы боимся, что беспокоит нас, что кажется жизненно важным и значительным, просто распадется на части».
Таковы выводы современной физики, основанной на экспериментально подтверждаемых идеях инфляционной модели и Большого взрыва, математических расчетах теории струн и гипотезе Мультивселенной. Можно ли подтвердить последнюю?
Теория предполагает возможность столкновения Вселенных друг с другом. Исходя из математического анализа, если наша Вселенная столкнется с другой, это породит рябь, пульсацию (ripple-like patterns), своеобразное возмущение в космическом микроволновом фоновом излучении. Сейчас ученые ищут эти паттерны, которые свидетельствовали бы о столкновении вселенных.
«Если у нас когда-нибудь будет подтверждение этой возможности, что наша Вселенная лишь одна из многих, для меня это станет кульминационным моментом в истории мысли на планете Земля», — закончил Брайан Грин.
Источник: rusplt.ru
