Научно-популярный журнал, издается с 1926 года

Между прошлым и будущим. 13,7

Между прошлым и будущим. 13,7

В наше время каждый культурный человек, претендующий на знакомство с наукой, должен знать число, вынесенное в заглавие. Иначе сайт Общественного радио США, посвященный взаимоотношениям науки и культуры, не взял бы это число в качестве своего названия: www.npr.org/13.7/ (русская десятичная запятая переводится английской точкой).

Впервые столкнувшись с этим названием, я решил проверить, действительно ли научно-культурные люди сразу поймут, что это – возраст Вселенной, выраженный в миллиардах лет. Проверил, прогуглив «13.7».

И получил три с лишним миллиона подтверждений плюс тысячи уточнений – «13.72»:

«13.7 billion years» Результатов: примерно 3 650 000
«13.72 billion years» Результатов: примерно 14 100

Сразу я представил себе фаната науки, видящего наглядный ее прогресс в уточнении даты важнейшего события в истории Вселенной, и ожидающего, что вскоре наука уточнит эту дату вплоть до дня, чтобы затем отмечать день рождения Вселенной (только бы не 29 февраля). Долю таких фанатов среди просто научно-культурных людей оценим, разделив одно число результатов на другое. Получим, что доля эта – примерно один из трехсот человек, точнее, согласно моему калькулятору, один из 258,86524822695035460992907801418.

Если читатель, не проверяя, заподозрит неладное в этой сверхточной оценке, значит, у него с научной культурой все в порядке. Действительно, из чисел, округленных примерно до процента, не получишь результат с большей точностью. А если калькулятор получил, то лишь потому, что не умел проводить приближенные вычисления и фактически исходил из предпосылки, что числа в него закладывают абсолютно точные.

Тот калькулятор, на котором впервые в истории науки получилось число 13,7, тоже не знал всех предпосылок своих арифметических действий. Предпосылки эти подробно описаны в статьях и книгах. Научные авторы, как водится в науке, различаются во мнениях о точности исходных измерений – своих и чужих – и о роли других, более хитрых, предпосылок в конечном результате, но, уверен, сходятся в том, что уточнение величины «13,7» для науки не имеет большого значения. Огромный объем знаний о Вселенной, добытый к настоящему времени с помощью изобретательных наблюдений космическими и земными приборами, вовсе не сводится к одному числу. Если какая-то предпосылка рухнет, и вместо 13,7 появится, скажем, 17,3, то для науки ничего особенного не случится. Вот если появится величина, существенно меньшая, чем 13,7, скажем, 7,13, возникнет проблема. Дело в том, что наблюдаются звездные скопления, возраст которых больше 11 миллиардов лет. Так что Вселенная должна быть старше.

Все это объясняется на сайте Космического агентства США (NASA), спутники которого собирают основную наблюдательную информацию о Вселенной. Там же сказано, что нынешняя точность определения числа 13,7 составляет от 1 до 2%, в зависимости от предпосылок. Отсюда следует, что говорить о величине 13,72, то есть о точности 0,1%, и не научно, и не культурно.

Интереснее обсудить смысл величины «возраст Вселенной». Ее определение сравним с тем, как криминалист, изучая пулю и отверстие в стене, определяет, откуда стрелял пистолет. По справочнику выяснив марку пистолета и начальную скорость пули, он рассчитает баллистическую траекторию пули. Криминалисту пришлось бы гораздо труднее, если бы он имел основания предположить, что пистолет был уникальный, ручной работы, не попавший ни в какие справочники, или что пуля вообще вылетела не из пистолета, а была, скажем, последней ступенью маленькой ракеты.

Не легче астрофизику, измерившему нынешнюю скорость расширения Вселенной, то есть скорость удаления далеких галактик, который хочет выяснить, когда расширение началось, когда произошел «выстрел», называемый Большим Взрывом. Роль пистолета выполняет уравнение гравитации Эйнштейна, которое, однако, дает «баллистическую» траекторию разлета галактик, лишь если известны все формы материи и энергии, заполняющие пространство. На сегодняшний день астрофизики имеют ясное представление о веществе, составляющем, как они считают, лишь около 5% всей начинки Вселенной. Остальные 95% – это так называемые «темная материя» и «темная энергия» непонятной природы – экспериментально пока недоступны. Считается, что при этом известны основные количественные характеристики этих темных сил. Сама же теория гравитации Эйнштейна, хорошо проверенная в масштабах Солнечной системы, предполагается применимой и в масштабах, в миллиарды раз больших.

Уже из краткого этого описания ясно, что за числом 13,7 кроются предпосылки и предпосылки. В одних астрофизики уверены на «99%», в других меньше, о третьих спорят на конференциях. Так почему же число 13,7 (с точностью до процента!) так прочно вошло в сознание научно-культурной публики? Это произошло не так давно. Приведем график, на котором показано, как менялись измерительные оценки величины, прямо связанной с «возрастом Вселенной», – параметра разбегания Хаббла H0 (вместе с оценками неточности), начиная с первой оценки Леметра в 1927 году.

На графике видно, что измеряемая величина H0 «пришла в норму» к началу 1960-х годов, именно тогда рассеялась тяжелейшая проблема короткой шкалы в космологии и возникла величина «возраста Вселенной», около десяти миллиардов лет. В таком – «неточном» – виде величина эта и фигурировала в научно-популярных текстах. Многочисленные определения последующих десятилетий, близко сходясь, дали несколько меньшую величину H0, и, соответственно, больший возраст Вселенной.

В публичную культуру эффектно-научное число 13,7 вошло, похоже, благодаря С. Хокингу, автору самых популярных в истории физики книг, в одной из которых читаем: «При наблюдаемом количестве вещества во Вселенной, решения уравнений Эйнштейна имеют одно очень важное общее свойство: некогда в прошлом (около 13,7 миллиарда лет назад) расстояние между соседними галактиками должно было равняться нулю. Другими словами, вся Вселенная была сжата в одну точку нулевого размера, в сферу нулевого радиуса. В тот момент плотность Вселенной и кривизна пространства-времени были бесконечны. Этот момент мы называем Большим Взрывом.»

Величина 13,7 здесь выглядит вполне научно-культурно, но ее объяснение, рискну сказать, – «обман трудящихся», применяя выражение Ландау. Во-первых, «точка нулевого размера» – понятие чисто математическое, а не физическое. А во-вторых, и в самых главных, теория гравитации Эйнштейна, как обнаружил он сам еще в 1916 году, нуждается в квантовой модификации. Поэтому для физика и «решения уравнений Эйнштейна» – это не абсолютная истина, а утверждения, правомерность которых должна быть физически обоснована. Квантовые границы применимости уравнений Эйнштейна, обнаруженные Бронштейном, прямо опровергают объяснение Хокинга. Углубляясь в самое давнее прошлое Вселенной, обнаружим, что ее плотность, прежде чем стать бесконечной, согласно формальным решениям уравнений Эйнштейна, приблизилась бы к величине

rcGh = c5/G2h ~ 1094 г/см3.

Это – граница, за которой необходима теория квантовой гравитации, или cGh-теория, или chl-теория (если оправдается идея Сахарова). В физике пока нет понятий, с помощью которых можно говорить о явлениях за этой границей. И значит, слова о «Вселенной, сжатой в точку нулевого размера», и о моменте времени столь нулевого события – это пустые слова с точки зрения физики. Речь должна идти не о точке нулевого размера, а о большом вопросительном знаке, поставленном в 1936 году Матвеем Бронштейном, обнаружившим необходимость «отказа от обычных представлений о пространстве и времени и замены их какими-то гораздо более глубокими и лишенными наглядности понятиями». Если за cGh-границей не работало понятие времени, то нет смысла говорить о моментах столь «за-граничного» времени.

На рабочем языке нынешней физики правомерно говорить о моменте времени в истории расширяющейся и остывающей Вселенной, когда излучение расцепилось с веществом и стало реликтовым. Можно говорить о более раннем моменте, когда еще сцепленное с веществом излучение, остыло настолько, что средней энергии фотона не хватало на образование пары барион-антибарион, то есть о моменте, когда закончилось накопление барионной асимметрии. Можно говорить об интервалах времени, прошедших с тех двух моментов до нашего настоящего, и эти времена очень близки к 13,7 миллиардам лет. И выражение «Большой взрыв» вполне пригодно для тех событий, которые предшествовали отрыву реликтового излучения.

Однако в физике пока нет точных слов, чтобы говорить о самом первом моменте в истории Вселенной, о ее «рождении». Поэтому на графиках, изображающих поведение параметров Вселенной в зависимости от предпосылок сценария, начало отсчета времени – там, где «до н.э.» становится «н.э.». – можно совмещать с любым событием, кроме «события рождения Вселенной», о котором науке ничего неизвестно.

Говорить же о «рождении Вселенной» на языке научно-популярной прозы лучше всего, объясняя сам предмет размышлений фундаментальных физиков. Тогда, правда, не произошел бы забавный эпизод в области популярно-музыкальной поэзии, поучительный для научно-культурной публики. Юная британская певица грузинского происхождения Katie Melua в 2005 году спела:

There are nine million bicycles in Beijing,
That’s a fact,
It’s a thing we can’t deny,
Like the fact that I will love you till I die.
We are 12 billion light-years from the edge,

That’s a guess,
No one can ever say it’s true,
But I know that I will always be with you.

В Пекине 9 миллионов велосипедов,
Это – факт,
который мы не можем отрицать,
Как и тот факт, что я буду любить тебя, пока не умру.
Мы – в 12 миллиардах световых лет от края,
Это – догадка,
и никто никогда не сможет сказать, так ли это.
Но я знаю, что я буду всегда с тобой

Некий ученый слушатель возмутился непочтительной заменой точного числа 13,7 на сомнительную догадку и написал и высказал свое «фи» в письме в газету «Гардиан». В защиту певицы и здравого смысла выступили сразу несколько читателей, в том числе и продвинутые в науке. Никто, правда, не сказал о проблеме cGh-края Вселенной, но и без этого свобода лирического слова победила.

Будь я читателем «Гардиан», я бы поддержал британскую лирику… яблоком, учтя его заслуги перед британской физикой, – предложил бы уподобить нашу Вселенную яблоку, скажем, в июле, когда оно еще растет в размерах. Предыдущие месяцы жизни яблока уподобим миллиардам лет жизни нашей Вселенной, и разместим на поверхности яблока аналог нашей цивилизации, уменьшенный в миллиарды раз. Тогда за время научной эры этой цивилизации яблоко изменится так же мало, как и наша Вселенная за время от Архимеда до Хокинга. Но все же изменится, хоть тамошние ученые заметят это не сразу. Сперва кто-то из тамошних физиков решит проверить евклидову геометрию, измерив углы в реальном треугольнике на поверхности яблока. И с удивлением обнаружит, что, если измерять с высокой точностью, то сумма углов окажется больше 180°С. Из такого рода измерений там сделают вывод, что их Вселенная – поверхность яблока – не плоская, а похожая на сферу, и вычислят ее радиус. Спустя некоторое время, еще более увеличив точность измерений, обнаружат, что радиус этот увеличивается. Теоретики установят закон возрастания радиуса яблочной Вселенной, а тамошний Хокинг, экстраполируя этот закон в прошлое, заявит, что когда-то, пару месяцев назад, вся яблочная Вселенная была сжата в одну точку нулевого размера, в сферу нулевого радиуса.

Мы-то с вами знаем, что яблоко начинается не с нулевой точки, а с цветка и пчелки, внешне совершенно не похожих на яблоко. Но сумеют ли это разгадать физики яблочной цивилизации – вопрос. Ведь им понадобятся какие-то гораздо более глубокие и лишенные наглядности понятия, чем обычные поверхностные представления… о яблоке.

В нашей цивилизации подобная мысль прозвучала три четверти века назад. Но до сих пор физики не придумали, как описать цветок квантовой гравитации и разгадать самый ранний период образования Вселенной. Опубликованы тысячи статей на эту тему, возникла аббревиатура для квантовой гравитации – QG, появилось много других новых терминов, но проблема, увы, остается неприступной, а красивые слова «суперструны», «мультивселенная», и так далее, остаются словами.

«… квантовая гравитация физически бессмысленна»?

В хронологии квантовой гравитации 2004 год отмечен двумя солидными монографиями с одинаковым лаконичным названием «Quantum Gravity», опубликованными в издательствах Кембриджского и Оксфордского университетов. Монографию обычно пишут, чтобы подытожить исследования, изложенные в многочисленных статьях. В данном случае статей было так много и сама проблема настолько открыта, что монографии нарисовали весьма разные картины прошлого, настоящего и будущего. В частности, авторы по-разному восприняли главный вывод Бронштейна: один его попросту не заметил (или не понял), а другой сочувственно процитировал, но не объяснил суть доводов о cGh-неизмеримости.

В том же 2004 году нерожденная теория квантовой гравитации пережила также покушение на убийство. Совершил его знаменитый физик-теоретик Фримен Дайсон, предположив, что этот проклятый вопрос современной физики обречен на безответность, потому что «квантовая гравитация физически бессмысленна». И значит, многолетние поиски следует прекратить, за отсутствием предмета поисков. Обосновал он свое мнение следующим образом: «Любая теория квантовой гравитации предполагает частицу «гравитон»– квант гравитации, точно так же как фотон – квант света. Наличие фотонов легко обнаружить, как показал Эйнштейн, по электронам, выбитым с поверхности металла под действием света. Но гравитационное взаимодействие неимоверно слабее электромагнитного, и, чтобы обнаружить гравитон по электрону, выбитому с поверхности металла под действием гравитационных волн, пришлось бы ждать дольше, чем позволяет возраст Вселенной. Но если отдельные гравитоны невозможно наблюдать в эксперименте, значит они не имеют никакой физической реальности. Можно считать их несуществующими, подобно эфиру XIX века. И тогда гравитационное поле, описываемое теорией Эйнштейна, – это чисто классическое поле безо всякого квантового поведения.»

Две убийственные аналогии.

Весь XIX век физики верили, что все сущее погружено в вездесущий эфир, и мучились над все более проклятым вопросом, каким законам подчиняется эта универсальная, но неуловимая среда, в одних отношениях похожая на твердое тело, в других – на сверхразреженный газ. Мучения прекратил Эйнштейн, объяснив неуловимость эфира тем, что ловить попросту нечего, то есть что без эфира можно прекрасно обойтись. Дайсон предложил последовать примеру Эйнштейна и повторить его успех.

Есть, правда, важное отличие. Неуловимый эфир можно назвать пережитком древнегреческой мифологии, где это – верхний, чистый и прозрачный, слой неба на вершине горы Олимп, где жили греческие боги. Греческие философы использовали эфир для устройства надлунного мира, а две тысячи лет спустя физики этим словом назвали универсальную среду, в которой распространяется свет и другие электромагнитные взаимодействия.

Гравитон же – это, скорее, «недожиток». И причину неуловимости гравитона вполне может уловить даже школьник, который в упомянутом «выбивании электронов с поверхности металла под действием света» узнает фотоэффект. Этот эффект давно вошел в обыденную жизнь. Каждый пассажир метро, входя через турникет, участвует в явлении фотоэффекта, прерывая его на секунду-другую. Потому легко поверить, что обнаружить фотон – секундное дело. Почти так же легко подсчитать, во сколько раз гравитационные силы слабее электрических, если вспомнить школьные законы Кулона и всемирного тяготения, и взять из школьного учебника величины заряда и массы электрона и протона. В результате получим, что отношение электрической силы к гравитационной имеет порядок 1040, то есть 40-значное число. Так что, если обнаружить фотон – секундное дело, то для обнаружения гравитона понадобится, грубо говоря, 1040 секунд, или 1033 лет, по сравнению с чем возраст Вселенной (~1010 лет) – ничтожная величина.

Это и имел в виду Дайсон, прекрасно понимавший, на что он поднял руку. Ведь сделал он это в рецензии на книгу, автор которой – Б. Грин – профессионально занимается квантованием гравитации как физик и литератор, своими книгами ставивший кассовые рекорды научно-популярности. Помимо книг Грина, о квантовой гравитации опубликовано более сотни книг. Не слишком ли много для теории, которой нет?

Так, возможно, подумал Дайсон. Он перестал следить за струнными и странными идеями своих молодых коллег и, вероятно, кажется им старым чудаком, отставшим от скоростного поезда прогресса. Но это его не беспокоит: ему самому когда-то подобными чудаками казались пожилые Эйнштейн и Дирак. Не подвергая сомненью хитроумные формулы в многочисленных статьях, Дайсон поставил простой вопрос, зажав гравитон между фотоном и эфиром. И увидел простой ответ.

Откуда у него такая независимость от столь мощного общественного мнения?

Одна из причин в том, что о фотоне он знает больше других. Ведь фотон от рождения до смерти подчиняется квантовой электродинамике, а Дайсон – один из создателей этой теории, вместе с Р. Фейнманом, Ю. Швингером и С. Томонагой. Прихоть Альфреда Нобеля, решившего, что в одной премии больше трех не собираться, сделала Дайсона четвертым лишним на нобелевской церемонии 1965 года.

Вторую причину независимости Дайсона можно усмотреть в его анкетной особенности, которую в советские времена называли пятым пунктом. Дайсон живет в Америке, но он не американец. Он – англичанин. Учиться в американскую аспирантуру он приехал из страны, в которой очень рано утвердилась идея прав личности. Великая Хартия вольностей и Билль о правах способствовали развитию независимого характера британцев. Во всяком случае – характера Дайсона, которому к тому же родители дали имя Freeman (что означает «свободный человек»). С таким именем, с такими национальными традициями, и, наконец, с такой научной биографией он и решился на чисто-английское убийство. Дефис здесь означает, что речь идет о бескровном убийстве в сфере самой что ни на есть чистой науки. На основе квантовой гравитации даже мухобойку не сделаешь, то есть и муху не обидишь.

Обидеться могут лишь узкие специалисты в области квантовой гравитации. Но это их дело. Истина дороже.

Призываю ли я присоединиться к мнению Дайсона о том, что «квантовая гравитация физически бессмысленна»? Вовсе нет. И поскольку никто из физиков так почему-то и не решился объяснить, что неверно в рассуждениях Дайсона, предложу свое историко-научное видение.

Дайсон пришел в науку и наводил порядок в квантовой электродинамике в конце 40-х годов, когда уже давней довоенной историей были горячие обсуждения вокруг «релятивистской теории квант», от которой ожидали разгадку целой грозди загадок ядерной физики. Предвкушали революционную перестройку, сравнимую с теорией относительности и квантовой механикой. Все эти дискуссии и ожидания, однако, благодаря усилиям экспериментаторов и теоретиков (о которых рассказано в прошлом номере журнала), завершились пожеланием успеха будущим строителям квантовой электродинамики. Успех пришел пятнадцать лет спустя, когда – при участии Дайсона – была создана эта самая точная, на сегодняшний день, из физических теорий. Поэтому его трезвый взгляд на гравитацию, в свете наилучшей теории… света, заслуживает внимания.

Никогда не занимавшийся проблемой квантовой гравитации, Дайсон мог не знать работы М. Бронштейна, впервые осознавшего глубину этой проблемы в 30-е годы прошлого века. А это осознание, спустя три четверти века, помогает защитить квантовую гравитацию от одного из создателей квантовой электродинамики, – помогает увидеть слабый пункт в самом начале рассуждения Дайсона. Как бы ни была привычна аналогия между фотоном и гравитоном, как бы ни рифмовались эти два слова и как бы ни был похож закон Кулона на закон всемирного тяготения, между двумя взаимодействиями имеется «принципиальное различие», подчеркнутое Бронштейном. Различие это подрывает понятие «гравитон» как самостоятельное и равноправное с понятием «фотон». Бронштейн, в сущности, обнаружил, что обычное понятие «квант поля», в применении к гравитации, принципиально ограничено, как ограничены в своей применимости другие важные понятия физики: одновременность, луч света, температура и так далее. Можно сказать, что Бор оправдал понятие фотона в пределах электродинамики, а Бронштейн обнаружил ущербность понятия гравитона уже в пределах теории гравитации. Это принципиальное различие основано на опытном факте, открытом Галилеем, ставшем первым фундаментальным законом современной науки, а три века спустя – основой эйнштейновской теории гравитации. Речь идет, конечно, о законе свободного падения, или о принципе эквивалентности, или, как сейчас говорят чаще всего, о равенстве инертной и гравитационной масс.

Фотон, или «частица света», вполне определенным образом соответствует электромагнитной волне, которая точно следует максвелловским уравнениям электромагнетизма. А гравитационная волна – лишь приближенное следствие уравнений гравитации. Поэтому гравитон – не столь же органическая часть еще не созданной теории квантовой гравитации, как фотон – часть квантовой электродинамики. Связывать же всякую волну с неким квантом – подход поверхностный.

К слову сказать, пока еще никто не связал волны на поверхностности моря с «квантом волнения» – частицей «поверхон», чтобы исследовать поведение таких волн.

К тому же Дайсон никак не объяснил, что делать с двумя принципиальными физическими явлениями – с началом космологического расширения и с завершением коллапса звезды. Какой теории, если не квантовой гравитации, эти явления можно поручить? Необходимость новой теории характеризуется cGh-рубежом, как впервые обнаружил Бронштейн. Однако сам масштаб cGh-величин, очень далекий от возможностей нынешних экспериментов, действительно ставит проблему.

Поэтому есть за что поблагодарить Фримена Дайсона. Его отважное сомнение высвечивает исключительность проблемы квантовой гравитации в истории физики и нынешнее ее кризисное положение.

Узкий специалист, который, не отвлекаясь на кризисные размышления, занят выкладками для очередной статьи, напоминает ученого соседа, к которому пришел за советом его сосед неученый. У неученого дохнут куры, и он просит ученую рекомендацию.

И получает: сыпать куриный корм в нарисованный на полу зеленый квадрат. Куры, увы, продолжают дохнуть. Тогда ученый предлагает красный круг. И т.д., пока все куры не передохли. «Как жаль! – восклицает ученый сосед. – У меня еще столько вариантов!».

Но куры в данном случае – это «внешнее оправдание», которого в квантовой гравитации так сильно не хватает. Неужели – впервые в истории физики – к успеху можно будет прийти лишь путем «внутреннего совершенства»?

Окончание следует

От редакции. Прочитанная вами статья и последующая не случайно оказались рядом. Их, казалось бы, впрямую не пересекающиеся сюжеты получат свое продолжение в очередном номере журнала, в котором будут обсуждаться проблемы развития фундаментальной науки.

Reset password

Recover your password
A password will be e-mailed to you.
Back to
Закрыть панель