Научно-популярный журнал, издается с 1926 года

Поговорим о Вселенной

Поговорим о Вселенной
©NASA

 

Наш собеседник Валерий Анатольевич Рубаков — физик-теоретик, специалист в области квантовой теории поля, физики элементарных частиц и космологии, академик РАН, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник Института ядерных исследований РАН, профессор, заведующий кафедрой физики частиц и космологии физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова.

— Валерий Анатольевич, вы занимаетесь космологией. Эта наука изучает свойства Вселенной, самого крупного объекта, который мы можем наблюдать. Есть физики, которые изучают квантовую механику, физику элементарных частиц — то есть микромир, и которые космологией не занимаются.

— Есть, конечно.

— Однако, современный космолог не может не разбираться в квантовой механике, физике элементарных частиц.

— Это зависит от того, что понимать под словом «космология». На самом деле есть довольно большие области космологии, которые не требуют знаний и методов физики элементарных частиц. Это наблюдательная космология, изучающая то, что вокруг: существование и образование космических структур, галактик, скоплений галактик. Это, в общем, классические процессы, не требующие знания квантовой механики.

— Структуры галактик изучают и астрофизики, и астрономы.

— Да, это ближе к астрофизике. Хотя изучение распределения галактик во Вселенной относится к космологии: распределение, количество, рост галактик и скоплений галактик, как они возникали, как в целом вся эта картина структуры Вселенной появлялась.

— Но ведь свойства скоплений галактик зависят от свойств материи, которая, в свою очередь, определяется свойствами элементарных частиц.

— Это правильно, однако фактически всё, что вам нужно знать — это свойства частиц темной материи: тяжелые они, легкие, как они взаимодействуют между собой, если взаимодействуют. И надо быть уверенным, что гравитационные взаимодействия у них такие же, как у обычных частиц. Ну, и всё. Больше особенно ничего и не надо. Конечно, они описываются квантовой физикой, но в большинстве случаев это не очень существенно. Поэтому эти вопросы не требуют квантовой физики. А вот процессы, связанные, скажем, с тем, как изначально образовались неоднородности на самых ранних этапах существования Вселенной, — это уже квантовые процессы. И их изучение требует привлечения аппарата квантовой физики.

— Процесс расширения Вселенной как-то связан со свойствами микромира или нет?

— Что нужно знать для того, чтобы описать расширение Вселенной? Нужно знать свойства темной материи, нужно предположить, что существует темная энергия — может быть космологическая постоянная или что-то очень похожее на космологическую постоянную. И после этого расширение Вселенной на нынешнем этапе и на довольно ранних этапах уже может быть описано опять-таки в рамках более или менее классической физики. Не квантово-механической, не квантовой, а классической физики.

— Сейчас космологам известно, что происходило в первые доли секунды существования Вселенной. Картина довольно хорошо подтверждается наблюдательными данными.

— Это так.

— Они знают, что происходило и после первой секунды. Практически всю историю существования Вселенной! Наверное, без знания свойств микромира это было бы невозможно?

— Конечно. Есть вещи, которые требуют знания свойств микромира. Например, откуда мы знаем про то, как была устроена Вселенная через одну секунду после Большого взрыва, или чуть позже? Мы знаем это из первичного нуклеосинтеза. Это процессы образования легких ядер из протонов и нейтронов. Тогда образовывался дейтерий, потом он перерабатывался в тритий, в конце концов, образовывались легкие ядра вплоть до лития седьмого[i]. В основном альфа-частицы[ii] — ядра гелия-четыре. И по тому количеству, в котором они образовались, мы можем судить о самом процессе, о темпе расширения Вселенной, о ее содержании. Конечно, описание этих процессов требует привлечения ядерной физики, физики элементарных частиц. Надо хорошо знать, как происходит образование ядер, термоядерный синтез, для того, чтобы можно было это посчитать. Мы надеемся выяснить, как образовалась темная материя и что за частицы ее составляют. Это, конечно, тоже вопрос к физике микромира. Пока что мы не знаем, из каких частиц она состоит. Их пока прямо не обнаружили. Знаем только их воздействие на расширение Вселенной, на образование структуры Вселенной. Как они образовались, как они из очень ранней Вселенной «дошли» до нашего времени — это тоже вопрос к физике микромира о том, как происходили взаимодействия этих частиц в ранней Вселенной, в невероятно горячей космической среде. Так что, если вы идете назад, на первые доли секунды после Большого взрыва, физика микромира там крайне важна.

Итак, если вы занимаетесь ранней Вселенной, то, конечно, необходимо знать физику элементарных частиц. И космологи в большинстве своем очень хорошо представляют, как устроена физика частиц, какие есть частицы, как они взаимодействуют между собой. Да и астрофизики тоже должны это знать, потому что в астрофизике тоже есть много процессов, которые требуют знания, по крайней мере, ядерной физики, физики элементарных частиц не очень высоких энергий.

— Изучение микромира дает знание констант, связанных с микромиром. Это константы слабого и сильного фундаментальных взаимодействий, массы частиц, которые определяются взаимодействием с полем Хиггса. Кроме того, мы давно знаем электромагнитную и гравитационную постоянные. И оказывается, что все эти константы имеют весьма удачные для нас значения…

— Да, это так. Мы не имели бы сложных молекул в природе, если бы не существовал легкий — много легче протона — электрон, а константа электромагнитного излучения не была бы достаточно мала. От соотношения масс электрона, протона и нейтрона вместе с электромагнитной постоянной зависят плотности всех веществ, возможность сложной химии. Если бы нейтрон был чуть полегче, или протон чуть потяжелее, то во Вселенной после Большого взрыва протоны распались бы и остались бы одни нейтроны. И не было бы вообще атомов. А масса протона напрямую зависит от константы сильных взаимодействий, а разница в массе нейтрона и протона — от масс кварков.

— То есть все константы имеют нужное для нашего существования значения.

— Да, небольшое изменение каждой из них сделало бы Вселенную непригодной для известной нам формы жизни, а, скорее всего, для жизни вообще.

— И встает тот самый вопрос, который давно уже волнует людей: как возник этот мир? Вполне закономерный вопрос.

— Вечный вопрос.

— Тут впору затронуть тему антропного принципа. Есть два принципиальных варианта. Один — считать, что этот мир создан для нас кем-то. Богом, Творцом, Космическим разумом. То есть предполагать некое целенаправленное вмешательство. Другой вариант — считать, что некие физические процессы привели к тому, что мы оказались в этой Вселенной, имеющей такие свойства. Этот вариант принято называть слабым антропным принципом. В отличие от первого — сильного.

— Первый давайте сразу отложим в сторонку. Потому что он не совсем научный — это вопрос веры. А слабый антропный принцип, наоборот, вполне научный. Он предполагает наличие множества возможностей, наличие многих мест во Вселенной или множества разных вселенных…

— Наличие большого числа, может, даже бесконечного числа вселенных.

— Ну, или вселенных, или, в другом варианте, в предположении, что Вселенная очень большая и очень разнообразная по своим свойствам в разных местах, наличие разных мест.

— Тогда Вселенная с большой буквы — нечто гораздо большее, чем наша вселенная.

— Огромная. Мы живем в ее части. Ну, и вполне может оказаться так, что в разных частях Вселенной (или в разных вселенных) разные физические законы, разные физические константы, разные физические взаимодействия, физика совсем разная. Ну и мы оказались там, где мы могли оказаться. Не то, что нам повезло. Везения никакого нет. Мы оказались там, где есть такая возможность. В других местах такой возможности нет. Полная аналогия с тем, как мы живем на Земле. Мы ведь не можем жить в произвольной точке космоса.

— Только там, где есть возможность существования органической жизни. Для чего надо выполнить множество условий: наличие звезды определенного типа, наличие планетной системы, наличие твердой планеты в зоне обитаемости, на которой присутствует вода в жидкой фазе, и еще уйма чего. В принципе, можно говорить о неких ступенях возможностей для жизни. Первая — это Вселенная, в которой возможно существование значительного числа элементов.

— И химия. Нам химия очень не вредна.

— Разумеется. Она необходима для существования сложных молекул. Второе — это существование условий, необходимых для возникновения космических объектов, которые, в конце концов, приводят к образованию Солнечной системы и одной из планет в зоне обитаемости, на которой возникает жизнь, а в результате долгой эволюции появляются разумные существа.

— По крайней мере, так мы думаем. Хотя слабый антропный принцип не до конца сформулирован. Потому что слово «жизнь» может иметь много разных смыслов. Лучше говорить о существовании наблюдателя. И следует допустить возможность существования наблюдателя совершенно другого типа.

— У Айзека Азимова был рассказ про мыслящее межзвездное облако, которое питается энергией звезд. Оно пощадило жизнь на Земле и ушло от Солнца, чтобы земная жизнь не погибла.

— Мы пока не знаем, какие бывают формы жизни, кроме земной.

— Но если говорить об органической жизни…

— Если думать о наблюдателях нашего типа, то да, нужны и химия, и Солнце, и соответствующая планета, и много еще чего.

— И вот вопрос, связанный именно со слабым антропным принципом. Если мы считаем, что верна инфляционная теория, которую предложил А. А. Старобинский, а потом развили А. Гут и А. Д. Линде, то она предполагает флуктуации вакуума и возникновение пузырей, которые начинают раздуваться, и один их таких пузырей — это наша вселенная. Хотя надо уточнить. Если все мироздание, в котором за счет флуктуаций возникают пузыри — Вселенная, то наш пузырь — часть Вселенной. И все, что происходит в нашей части Вселенной, определяется соответствующим набором констант. Но в других пузырях, то есть в других частях Вселенной, набор констант другой, и там вообще может не быть галактик, звезд, планетных систем и какой-нибудь формы жизни. Но как в процессе флуктуаций вакуума и образования пузырей возникают константы? Те константы, которые определяют, если можно так выразиться, судьбу той или иной части Вселенной.

— Это не очень разработанный вопрос: как возникают разные части Вселенной с разной физикой? Такая возможность есть в теории суперструн. Оказывается, что она допускает существование огромного числа вакуумов. Вакуум — это устойчивое состояние. И в каждом своя физика. В каждом свои константы, в каждом свои частицы, типы частиц и все остальное.

— Струнная теория описывает частицы как некий аналог струн, совершающих определенные колебания…

— В принципе, да. Но важно другое. Важно, что там есть множество возможностей, вот с чем связанных. Теория суперструн предполагает существование десяти измерений. Не четырех, как у нас (три пространственных, одно — время), а десяти. (Хотя в версии более широкой теории, чем теория суперструн, их даже одиннадцать). И необходимо объяснить, как лишние шесть измерений оказались ненаблюдаемыми. И наиболее логичное объяснение — что они компактные, не бесконечные, как три известные нам измерения, а наоборот, очень маленькие, колечки такие, условно говоря. И из-за того, что они очень маленькие, мы их не чувствуем.

— То есть, они существуют на уровне микромира?

— Да. И надо иметь очень высокие энергии, чтобы доказать, что есть на самом деле такие колечки. Хотя, строго говоря, это не колечки, а некие довольно сложные геометрические объекты. Вот тут-то и появляется огромное количество возможностей. Потому что эти многообразия могут быть очень разными. И разные поля в результате этих многообразий могут быть. Появляется безумное количество возможностей. 10500 вариантов! И от того, как устроены эти все многообразия и какие там есть поля — от этого зависит уже наблюдаемый спектр частиц, то, что у нас есть в большом четырехмерном пространстве. Какие есть электроны или не электроны, протоны — не протоны, их взаимодействия. Все зависит от того, как произошла компактификация, то есть свертывание дополнительных измерений. Из-за того, что таких способов очень много, появляется возможность существования очень большого числа разных физик в макроскопическом мире.

Теперь о том, как происходит попадание в один или в другой вакуум. То есть, как множество возможностей реально, динамически реализуется? Это вопрос не разработанный. То есть, возможность такая имеется, но как именно динамически она может реализоваться, как эти 10500 вакуумов существуют: в одном месте один, в другом — другой, в третьем — третий… Пока это вопрос не решенный.

— Вот возникла часть Вселенной, в которой мы живем, наряду с другими частями Вселенной. Возникла с такими константами, которые делают возможным всё то, что происходило и происходит в нашей части Вселенной. А каков механизм поддержания констант? Почему они, установившись, не меняются?

— Это можно связать с тем, что вакуумы в теории суперструн дискретны. Что не непрерывный набор возможностей существует, а дискретный. То есть, если уж вы попали в один набор констант, то там и будете оставаться. Если у вас произошла компактификация, дальше ее разрушить или заставить эти внутренние лишние измерения измениться не удастся, потому что для этого нужна гигантская энергия. Иными словами, если у вас дискретный набор констант, то вам надо «перепрыгнуть» из одного набора в другой, надо потратить очень много энергии. Поэтому, как только вы попали в более-менее низкоэнергетическую ситуацию, температура у вас не 1018 ГэВ, а на несколько порядков меньше, или темп расширения не гигантский, то у вас уже недостаточно энергии, чтобы совершить переход. Поэтому константы «замораживаются» в этой части Вселенной. И то, что мы имеем действительно дискретный набор параметров — это вроде видно. Хоть и 105000 вариантов, но их все-таки конечное и дискретное количество.

— Такой подход проясняет будущее нашей части Вселенной?

— Нет. Наше будущее зависит совсем от другого. Наше будущее зависит от того, что такое темная энергия. Она сегодня доминирует, большая часть энергии в ней как раз сосредоточена — 70% примерно. А дальше она будет еще больше доминировать. Через несколько десятков миллиардов лет уже вклад материи в плотность энергии будет совсем незначительным. Подавляющий вклад давать будет темная энергия. И будущее зависит от того, как она будет меняться со временем, и будет ли меняться.

— Некоторые космологи ставят знак равенства между энергией вакуума и темной энергией. Это уже как-то устоялось?

— Нет. Это не известно. Это одна из возможностей, что темная энергия, энергия вакуума или космологическая постоянная — это одно и то же. Вообще говоря, обсуждается возможность того, что темная энергия — это не постоянная величина. А энергия вакуума должна быть постоянна во времени. Почти по определению. Раз вакуум не меняется локально, значит, у него плотность энергии фиксирована. Ну, а в формулах общей теории относительности это просто постоянная величина, космологическая постоянная. Хотя, может быть, она зависит-таки от времени, тогда это не энергия вакуума в прямом понимании этих слов, это энергия какого-то гипотетического нового поля, которое «разлито» в нашей части Вселенной и несет на себе эту темную энергию. И от этого действительно зависит наше будущее. Если это энергия вакуума, то нашей части Вселенной бесконечно расширяться, а если это энергия некого поля, то не обязательно. Тогда расширение может остановиться.

— Если расширение будет бесконечным, то, в конце концов, все вещество будет разорвано на отдельные частицы…

— Да. Это еще одна возможность. Если темная энергия постоянна во времени, то ничего такого не будет, будет постоянное расширение с тем же темпом, как сегодня. Медленное. Но если темная энергия растет во времени, то тогда темп расширения будет увеличиваться. В принципе, возможно то, что называют «Большой разрыв».

— Это когда силы тяготения в галактике уже будет недостаточно, чтобы удерживать объекты.

— Совершенно верно. Когда Вселенная настолько быстро будет расширяться, что сначала Галактику разорвет, потом Солнечную систему, а потом — Землю. И так далее. Такое не исключено. Пока мы не знаем, как устроена темная энергия, такое исключать нельзя.

— Но это будет, в любом случае, не скоро.

— Через 20 миллиардов лет как минимум.

— Вопрос, который волнует людей, не имеющих физического образования: почему космологи утверждают, что у Вселенной, а если соблюдать нашу договоренность, то правильнее сказать у нашей части Вселенной, нет границ? Это же действительно странно: пространство есть, а границ нет.

— Стандартная аналогия — воздушный шарик. Вот у вас есть воздушный шарик, он расширяется, раздувается и может раздуться до гигантских размеров. А вы можете ходить только по его поверхности. И тогда для вас никакой границы нет. Будете ходить, и ходить, и, может быть, в конце концов, возвратитесь назад. Пока он не слишком раздуется. Но сколько бы вы ни ходили, никогда никакой границы вы не увидите.

— Здесь аналог такой же, но только в трехмерном пространстве?

— Да. Только это не двумерный шарик, а трехмерный. Это — во-первых. А во-вторых, воздушный шарик мы себе представляем вложенным в трехмерное пространство. А наше трехмерное пространство, скорее всего, никуда не вложено. Но оно может быть замкнуто. Поэтому мы можем перемещаться по нему бесконечно. Но границы никогда не достигнем.

— В процессе расширения нашей части Вселенной увеличивается количество пространства?

— В каком-то смысле, да. Хотя такого термина нет — количество пространства.

— Но Галактики и скопления галактик разбегаются.

— Все расстояния увеличиваются. Можно говорить о растяжении пространства.

— Завершу наш разговор таким вопросом: мы говорили о теории инфляции, согласно ей наша вселенная — часть еще более огромной Вселенной. Но теория инфляции, строго говоря, не доказана. Есть ли надежда, что мы получим доказательства ее верности?

— Теория инфляции получит подтверждение с обнаружением реликтовых гравитационных волн. Речь об очень длинных волнах, сравнимых с размерами нашей части Вселенной — длина таких волн в миллиарды световых лет.

— Реально ли их обнаружить?

— Да. По поляризации реликтового микроволнового излучения. Результат может быть получен в обозримом будущем.

Беседу вел Игорь Харичев

 

[i] Природный литий состоит из двух стабильных изотопов: 5Li (7,5%) и 7Li (92,5%).

[ii] Альфа-частица (α-частица) — положительно заряженная частица, образованная двумя протонами и двумя нейтронами.

Reset password

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