Знание-сила

Знание-сила научно-популярный журнал

iiene     
Он-лайн ТВ Знание - Сила РФ Проекты Фотогалереи Лекторий ЗС

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 





СВЕЖИЙ НОМЕР


Органические молекулы в космосе
 
 
 Самое интересное 
Самые яркие статьи за все годы существования журнала. Пока выложены только статьи 2007-2010 годов, но мы работаем над продолжением этого.
За пять мер ничто до Большого взрыва

…при объединении уравнений общей теории относительности и квантовой механики начинаются тряска, грохот и шипение пара как в перегретом котле. Если выражаться менее образно, несчастливый союз этих двух теорий может приводить к появлению бессмысленных ответов на корректно поставленные физические вопросы.
Брайан Грин

 

Сотворение мира из Ни(е)что/Не(и)что?

Еще в конце 1960-х годов математик Роджер Пенроуз из Оксфордского университета и физик Стивен Хокинг из Кембриджского университета убедительно показали, что в рамках общей теории относительности сингулярность Большого Взрыва неизбежна.

«Мы отказались от предпосылки, что время никак не зависит от Вселенной, – вспоминает Стивен Хокинг. – В 1969 году статья, в которой мы доказали, что время имеет начало, завоевала вторую премию на ежегодном конкурсе эссе, организуемом Gravity Research Foundation. Так мы с Роджером удостоились на двоих царственной суммы в три сотни долларов. Я не думаю, что другие статьи, отмеченные премиями в тот год, теперь кому-либо интересны».

Итак, если история нашей Вселенной начинается с некоторого сингулярного события, невольно задаешься вопросом: «А что было до того?» Еще Августин Блаженный размышлял над тем, что делал Господь Бог до того, как сотворил мир. В конце концов, святому отцу вопрос показался бессмысленным, ведь Бог сотворил время воедино с миром.

В ХХ веке модель Большого взрыва одно время даже воспринималась как новая благая весть от Господа Бога. Недаром среди основоположников этой теории был бельгийский богослов и физик, аббат Жорж Леметр.

Фред Хойл (см. «З-С», 2/03) даже отвергал эту теорию именно за ее религиозную подоплеку, развивая идею статичной Вселенной: «Внезапное начало… рассматривается с метафизической точки зрения, то бишь оно лежит за пределами физики. Многим людям подобные измышления очень пришлись по душе, потому что можно предположить, что за пределами физики еще есть место «Чему-то». С помощью подобного семантического маневра можно подменить «Что-то» понятием «Бога».

Господь Бог не включен, разумеется, в новейшие учебники по космологии, но мысль о начале всех времен не может не пробудить тот извечный вопрос, ответ на который и требовал присутствия Бога во всех религиозных учениях и религиозно-философских доктринах. Что же было до того, как возникло все? Что было до начала времен? Что было до Большого взрыва?

Житейская мудрость гласит: если ничего не было, ничего и не будет, а если хоть что-то есть, нельзя говорить о том, что ничего не было. Даже сотворение мира из Ничто (creatio ex nihilo), строго говоря, некорректно, потому что предполагает наличие Творца, рождающего целый мир из Самого Себя.

«Сотворение мира из Ничто» – идея сравнительно новая, ведь в традиционных религиях Бог, Творец, Демиург, принимаясь мастерить твердь под ногами и небеса над головой, непременно имел что-либо про запас, какое-нибудь «тоху-во-боху», первородную Стихию, извечный Хаос.

Многие физики также 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 меньшему, чем квантовый вакуум, не дозволяют быть законы физики, – его нельзя все же именовать «Ничто».

Даже такие космологи, как Александр Виленкин (см. «З-С», 2/03), заявляя о «появлении Вселенной буквально из Ничто», все же полагают, что законы природы каким-то образом существовали и там, среди Ничто. Проблематично тут, в какой степени эти законы можно рассматривать, как «подлинный каркас мироздания», а в какой они лишь отражают – описывают – обобщают процессы, протекающие в Природе, то есть являются «производной» от Нечто.

Итак, сингулярность Большого взрыва, в сущности, не объясняет, почему возник наш мир, а полагает конец всевозможным объяснениям. Мы можем уверенно сказать, как все произошло 13,7 миллиарда лет назад, мы можем много чего наговорить о Большом взрыве, но, почему он произошел, не в силах объяснить. Остаются лишь гипотезы. Самые остроумные, самые экстравагантные. Остаются математические уловки, которым – тут мы обескуражено разводим руками – имелось ли когда-нибудь «соответствие в реальности»?

Так, модель «Инстантона», которую сформулировали Стивен Хокинг, Джеймс Хартл, Нил Турок и Александр Виленкин, предполагает, что у времени было свое начало. Задаваться вопросом о том, что было до Большого взрыва, так же бессмысленно, как и гадать, что за географический пункт на нашей планете находится южнее Южного полюса. В космологических сценариях, предполагающих, что время, как и материю, можно квантовать, обычно считается, что минимальной единицей времени было так называемое планковское время – 10-43 секунды. Иными словами, не было ничего, и вдруг новорожденная Вселенная прожила этот миг.

Другие сценарии исходят из того, что момент Большого взрыва был своего рода фазовым переходом. В этих моделях пространство-время постоянно совершает, так сказать, маятниковые движения между Большим взрывом и Финальным взрывом. В этом плане особенно любопытен сценарий Нила Турока и Пола Стейнхардта.

Еще радикальнее модель вечной «хаотической инфляции» Андрея Линде, в которой космос состоит из бесчисленных вселенных, наделенных всеми возможными свойствами (см. «З-С», 12/06). В таком случае наш Большой взрыв был локальным событием, а наша Вселенная – лишь одна из бесконечного множества вселенных. В этом убежден, например, Ли Смолин (см. «З-С», 1/00, 10/07). Согласно его гипотезе, новые вселенные отпочковываются от черных дыр.

Вакуумная подоплека мира?

Среди самых многообещающих теорий, в которые физики пытаются втиснуть целую Вечность, как листик березы – в альбом для гербария, можно назвать теорию квантовой геометрии, квантово-спиновую динамику или квантовую гравитацию. Наибольший вклад в разработку этих теорий 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 могли быть вмурованы в эти «каменистые глыбы», которые не расколоть ничем, если бы только в подобной теории могло существовать такое понятие, как бесконечно малая точка. Само пространство-время теряет, впрочем, свои фундаментальные свойства, превращается в переплетение одномерных структур – «сети спинов», то есть становится дискретной структурой, своего рода цепью, сплетенной из отдельных звеньев (сами исследователи чаще прибегают к другому образу – кольчуги, свитой из отдельных колечек). Описание Космоса превращается в прихотливое рукоделье, и новейшие теории космологии вполне логично соседствуют с очередным выпуском «Вязания на спицах».

Объем минимально возможной петельки пространства составляет всего 10-99 кубического сантиметра. Эта величина настолько мала, что – в этом нетрудно убедиться, калькулируя глубины и дали Космоса, – в одном кубическом сантиметре много 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, вытекающими из теории квантовой геометрии, то таинственная сингулярность исчезает. Как пошутил один из обозревателей, «язык квантовой геометрии заставляет умолкнуть бесконечный крик классической космологии». 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  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 собственное существование. Теперь у нее – своя история, свое пространство, свое время, своя стрела времени.

В нашем случае, стремительное – экспоненциальное – расширение пространства-времени, возникшего в момент подобного фазового перехода, помешало этому пузырьку мироздания вернуться в исходное состояние. Благодаря космической инфляции не только Вселенная достигла гигантских размеров, но и область ее стабильного существования стремительно расширилась. Так что теперь наше мироздание не может мгновенно исчезнуть. Впрочем, среди различных Вселенных, рождающихся в квантовом вакууме, не так много долгожителей и вечножителей. Большинство миров, как полагают космологи, настолько несовершенны, что очень быстро гибнут.

В современной физике создан ряд теорий, которые показывают, как из вечно существовавшей 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, что завершилось рождением нашей Вселенной из вакуума.

Или Экхард Ребхан из Дюссельдорфского университета и – независимо от него – Джордж Эллис и Рой Маартенс из Кейптаунского университета развивают идею «статической Вселенной», которую обдумывали еще Эйнштейн и Эддингтон. Чтобы обойтись без эффектов квантовой гравитации, они 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.

Конечно, подобные модели весьма умозрительны, хотя назвать их чистой фантазией язык не повернется. Ведь они принципиально соответствуют современному уровню развития физики и результатам астрономических наблюдений последних двух десятилетий.

В любом случае ясно одно. «Едва ли найдется серьезный теоретик, который в наши дни все еще верит в то, что начало нашей Вселенной положило уникальное, единственное в своем роде, сингулярное событие», – пишет немецкий космолог Ханс-Иоахим Бломе. Большой Взрыв был, скорее, рядовым, естественным событием. Осмыслить его и помогают все эти рассуждения о микро- и макровремени, о флуктуациях Первоестества – квантового вакуума. Подобные идеи могут снять противоречие между рождением мира из Ничто и необъяснимой вечностью мироздания.

По законам «космической синусоиды»?

Помогут ли эти теории понять, что же могло быть до Большого взрыва? Если Вселенная родилась, что ее породило? Где проступает «генетический отпечаток» ее родительницы в современных теориях космологии?

В 2005 году Абэй Аштекар, например, обнародовал результаты своих новых расчетов (проделать их помогли Томаш Павловски и Парамприт Сингх). Из них явствовало, что если исходные посылки верны, то до Большого взрыва существовали то же самое пространство-время, что и после этого события. Физика нашего мироздания, словно в зеркале, отразилась в физике мира иного.

Единственное, что можно разглядеть «с той стороны зеркального стекла», что Вселенная тогда не расширялась, а сжималась. Большой взрыв стал точкой ее коллапса. В этот момент пространство и время на мгновение пресеклись, чтобы вновь отразиться – продолжиться – уже в знакомом нам мире. Вселенная буквально вывернула сама себя наизнанку, словно перчатку или рубашку, и с тех пор неуклонно расширяется. Большой взрыв не был, по Аштекару, «творением целой Вселенной из Ничто», а являлся всего лишь переходом из одной динамической формы Вечности в другую, хотя сама эта трансформация протекала на катастрофическом фоне, когда пространство и время, – кажется, неотъемлемые атрибуты мироздания – разорвались, словно попавшая под руки ветошь.

Впрочем, и к этой теории есть свои вопросы – разве что их резоннее было бы задавать «до начала времен». Например, наша Вселенная, как показали наблюдения, проделанные в последнее десятилетие, будет расширяться вечно.  Вселенная же предшественница изначально была бесконечной, но потом неуклонно сжималась, силясь уместить все свои Протогалактики и их скопления на пяди пространства, что меньше орбиты электрона. Что за сила согнала весь инертный обычно мир в инфернальную точку?

А может быть, и наша Вселенная со временем прекратит свое расширение? И когда-нибудь ее снова вынесет в ту самую точку, где она и находилась раньше? Вселенная вновь переживет Большой Взрыв. Который по счету? Может быть, Вселенная переживает бесконечную череду «больших взрывов», и эти десятки миллиардов (или сколько там) лет, разделяющие ее отдельные фазы, – лишь периоды «космической синусоиды», по законам которой живет мироздание?

Зеркало для сурка?

Многим памятны два популярных фильма конца 1980-х – начала 1990-х: советский фильм «Зеркало для героя» режиссера Владимира Хотиненко и американский «День сурка», где главной сюжетной линией была «петля времени», – герои со своими всякий раз особенными мыслями и чувствами каждое утро попадали в один и тот же прожитый вчера день, где никто, кроме них, не замечал, что они не живут, а обречены существовать целую вечность в одних и тех же театральных декорациях жизни. Они в чем-то счастливы, ведь они почти бессмертны.

Мы бессмертны, но обречены бессчетное число раз прожить одну и ту же жизнь в одних и тех же обстоятельствах, потому что наша Вселенная – это одна огромная «петля времени», вторят сценаристам, придумавшим эти фантастичные сюжеты, и авторитетные космологи.

Например, Джон Ричард Готт III из Принстонского университета. Или его коллега Ли Синьли. На основе теории Эйнштейна они изобрели изощренную модель существования нашей Вселенной, которая, с одной стороны, позволит не ломать голову над тем, как же целый мир родился из Ничто, а, с другой стороны, снимает вопрос о вечности времени. От их ответа, правда, легче не становится. Вселенная создала сама себя посредством петли времени. Иными словами: наше мироздание регулярно обречено возвращаться в свое собственное прошлое. Оно крутится во времени, как белка в колесе. Можно сказать, иронизировал Готт, что Вселенная «в некоторой степени сама себе мать».

Конечно, эта идея звучит фантастически, но, как напоминает ее автор, «научная фантастика часто подсказывает темы очень интересных научных исследований». И тогда как путешествия во времени кажутся почти всем фантастическим вымыслом, «ученые хотят знать, возможны ли такие путешествия, хотят понять, как законы физики функционируют в самых экстремальных условиях» (см. «З-С», 12/06). В своей научно-популярной книге «Путешествия во времени по Вселенной Эйнштейна» Готт не только занимался теоретическими вопросами физики, но и уделял внимание научной фантастике, тем многочисленным идеям, которые рождены писателями и которыми заинтересовались ученые.

«В нашей модели нет начального момента существования Вселенной. Каждому событию в ее далеком прошлом предшествовали еще какие-то другие события, – подчеркивает Готт. – В общей теории относительности описываются модели мироздания с подобной искривленной геометрией, где Вселенная имеет свое начало, но не имеет начального момента существования». Такую Вселенную можно представить себе в виде дерева, ветка которого ткнулась в землю и срослась с корнем, словно бы дав начало стволу. В космологии, впрочем, придется обходиться без этих «словно бы», перефразируя эту метафору так: ветвь ствола пространства-времени изогнулась в виде петли и стала корнем этого ствола.

Модель подобной Вселенной – «Вселенной, сотворяющей саму себя» – делает Бога, высшее существо, привыкшее, по верованиям людей, творить миры из ничего, уж вовсе лишней фигурой в космологических построениях. А потому у Готта нет недостатка в ортодоксальных критиках. Сам он, впрочем, всегда старался держаться подальше от богословских споров.

«Ли Синьли и я никогда не говорили о теологии. Я бы поостерегся делать богословские выводы из нашей модели. Результаты говорят сами за себя. Как человек религиозный, я бы не стал категорично утверждать, что концепция Вселенной, порождающей саму себя, во всем пришлась мне по душе – но не обязательно же Вселенная должна всем прийтись по душе», – рассуждал он.

Для него самого созданная им модель является «общей парадигмой», которую можно было бы дополнить любой инфляционной моделью дочерних вселенных. Он полагает даже, что высокоразвитые цивилизации могли бы создать у себя в лаборатории подобную петлю времени. Кроме того, может существовать множество отдельных вселенных, абсолютно изолированных от нашей и возникших благодаря своей особой петле времени.

Подобная модель располагается посредине между двумя крайностями – Вселенной, рожденной в результате уникального события, например, Большого взрыва, и Вселенной, существующей вечно. Это – «третий путь» творения мирозданий, что делает такую модель весьма привлекательной. Ее экзотичность вооружает скептиков, но пока никому не удалось доказать, что сия странная теория несостоятельна.

…Но почему все-таки Космос существует вечно? Почему все-таки есть Нечто, а не Ничто? Можно задавать бесчисленные вопросы – Вечность так широка, что примет все наши устремления, и все вопросы, и сделанное, и не сделанное. В этой пустоте-полноте, что простирается целую вечность, Большой взрыв кажется фонариком, хоть иногда освещающим даль, или будильником, заставляющим нас все же вернуться к реальности нашей Вселенной.

ЗС 08/2011

Номера журнала

 

Читать номера on-line

 

вернуться


Карта сайта | Контактная информация | Условия перепечатки | Условия размещения рекламы

«Сайт журнала «Знание-сила»» Свидетельство о регистрации электронного СМИ ЭЛ №ФС77-38764 от 29.01.2010 г. выдано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор)
© АНО «Редакция журнала «Знание-сила» 2012 год

По техническим вопросам функционирования сайта обращайтесь к администратору

При поддержке медицинского портала ОкейДок


Rambler's Top100
av-source