Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе

Ферри Крис

Сейчас мы каждый день пользуемся эйнштейновской теорией относительности, даже не задумываясь об этом. Например, без неё не могла бы работать Глобальная система позиционирования (GPS), основанная на синхронизированной сети точных часов. В системе GPS требуется передавать сообщения на большие расстояния, а для этого необходимо знать точные значения «когда» и «где». Без учёта относительного искривления пространства и времени между часами на спутниках и на Земле время, которое показывают эти часы, быстро потеряло бы точность, синхронизация бы нарушилась, и мы оказались бы совсем не в том месте, которое показывает GPS-навигатор!

Но к нашему рассказу относится другое: величайший успех теории относительности – описание истории Вселенной в целом. Эйнштейн одним из первых попытался создать математическое описание космоса – всего пространства и всего времени.

В его представлении и в соответствии с уровнем знаний на рубеже XIX и XX столетий Вселенная была статичной и неизменной, и построенные математические модели отражали это предположение. Но малоизвестный русский математик Александр Фридман в 1922 году опубликовал работу, в которой Вселенная представала динамичной и развивающейся. С этого момента стала быстро развиваться современная космология – наука о происхождении и эволюции Вселенной. А Эдвин Хаббл обнаружил, что все другие галактики разлетаются прочь от нашей: Вселенная не только меняется, но и расширяется! В то же самое время Жорж Леметр показал: в какой-то момент в конечном прошлом – момент рождения Вселенной – это расширение должно было начаться. Леметр назвал «зародыш» Вселенной первичным атомом, но вскоре более распространённым стало выражение «Большой Взрыв».

Два столпа

К середине XX века понимание Вселенной углубилось, а здание современной физики приобрело отчётливые очертания. Беда была, однако, в том, что эти очертания выглядели заметно по-разному с двух разных сторон. На языке общей теории относительности гравитация объяснялась в терминах кривизны деформируемого пространства, в то время как действие других сил природы – электромагнетизма и субатомных сил – сводилось к дискретной квантовой механике [6] .

6

Наш взгляд на современную космологию: Развитие наших представлений о строении Вселенной активно обсуждается. Прекрасным введением в это обсуждение может быть “Cosmology and the Origin of the Universe: Historical and Conceptual Perspectives”, by Helge Kragh (arXiv preprint, 2017,; книга Teh Cosmic Revolutionary’s Handbook: (Or: How to Beat the Big Bang) by Luke A. Barnes and Geraint F. Lewis (Cambridge: Cambridge University Press, 2020) иллюстрирует использование учёными наблюдений Вселенной для раскрытия её внутренних механизмов.

Вы можете легко убедиться в этой двойственности сами, взяв в руки любой университетский учебник физики. Главы, посвящённые квантовой механике, обычно очень отличаются от тех, в которых рассказывается о теории относительности и тяготении. Имена упоминаются тоже разные: Бор, Паули и Шрёдингер выглядят центральными фигурами квантовой механики, а Ньютон, Эйнштейн и Шварцшильд доминируют на страницах о гравитации.

Те же различия бросаются в глаза, если побродить по физическому факультету любого университета. Если в коридоре висят постеры конференций по квантовым компьютерам, новым материалам или сверхпроводникам – все эти области науки относятся к квантовой физике. А в других коридорах вы увидите постеры, сообщающие о новостях космологии, тёмной материи и тёмной энергии, или даже о ранней Вселенной. Здесь – царство гравитации, здесь говорят на языке теории относительности. Языки этих двух научных территорий совершенно разные, что не мешает физикам разных отделений оживлённо болтать в факультетской столовой о футболе или ипотечных кредитах.

Да, современная физика расколота на две части, построенные на двух различных фундаментах – теории относительности и квантовой механике. Математический аппарат теории относительности используется для описания физики больших пространств, размеров и масс – планет, звёзд, галактик. Квантовая механика царит в мире очень малых масштабов – электронов и частиц. Эти области настолько разные, что, если сосредоточиться на одной из них, другую часто можно вообще не принимать во внимание. Астроном, изучающий движения

планет и комет, может обходиться только уравнениями теории тяготения и игнорировать всё остальное. А физик, пытающийся построить квантовый компьютер из отдельных атомов, может позволить себе забыть о тончайших гравитационных взаимодействиях между ними.

Существование двух изолированных оснований современной физики – её главная проблема. Это движущая сила поисков единой «теории всего», которая смогла бы описать Вселенную в целом. Мы ещё вернёмся к этой теме в последней главе и рассмотрим основные нерешённые вопросы фундаментальной физики и попытки ответить на них.

Разделение новой физики на независимые области квантов и гравитации ставит под вопрос правильность нашего понимания Вселенной. Но это вовсе не значит, что современная физика потерпела крах. Там, где нам всё-таки удаётся заставить эти две основные идеи работать совместно, космос выдаёт нам самые сокровенные тайны – от своего огненного рождения до холодного бесконечного будущего. Об этом мы и расскажем в этой книге.

Мы совершим путешествие по всей истории космоса, поговорим о его рождении, о силах, которые определили все его существование. Раскроем механизмы жизни звёзд и образования химических элементов. Поразмышляем, что ждёт Вселенную в её долгом тёмном будущем. Увидим, что во всех этих процессах главную роль играет тяготение – именно оно определяет и расширение Вселенной, и сжатие вещества, приводящее к рождению звёзд. Но для понимания Вселенной одной гравитации недостаточно: нельзя забывать о роли других сил. Например, о квантовой механике, значение которой ничуть не меньше – и о которой придётся вспоминать на каждом шагу.

Мы увидим: если хочется узнать своё место во Вселенной, разделять кванты и космос нельзя.

Часть 1

Квант космоса: прошлое

Как появилась Вселенная?

Тёмной ночью небо сияет тысячами звёзд. Глядя на это великолепие, легко представить, что Вселенная всегда была такой. Но мы знаем: это лишь иллюзия. В масштабах истории Вселенной жизнь человека, да и всего человечества, – краткое мгновение. Если бы наше существование продолжалось миллионы и миллиарды лет, а не какие-то несколько тысяч с тех пор, как люди посеяли первые зёрна и построили первые города, мы бы убедились, что живём в развивающейся и меняющейся Вселенной.

Космология изучает её развитие. Пытаясь понять смысл звёздных россыпей, люди с незапамятных времён обращают взгляд в небо. Но настоящей наукой космология стала только в прошлом столетии. Новые сверхмощные телескопы открыли нам космические глубины – оказалось, что Вселенная немного больше и богаче, чем мы могли когда-либо представить. Солнце – одна из сотен миллиардов звёзд в нашей Галактике, Млечном Пути, раскинувшемся на небе светлой аркой от горизонта до горизонта. И сам Млечный Путь – лишь одна из триллионов галактик, доступных обзору в наши самые сильные телескопы [7] .

7

Откуда мы знаем, что во Вселенной два триллиона галактик: Научно-популярное освещение этого вопроса см. Ethan Siegel, “Tih s Is How We Know Teh re Are Two Trillion Galaxies in the Universe”, Forbes, October 18, 2018,sites/ startswithabang/2018/10/18/this-is-how-we-know-there-are-two-trillion-galaxies-in-the-Universe.

Когда новые телескопы позволили нам увидеть Вселенную более чётко, подоспела ещё одна революция. В начале XX века Эйнштейн внёс последние штрихи в общую теорию относительности, отбросив математический аппарат ньютоновской гравитации, который безраздельно царил в физике на протяжении 300 лет. Его новый взгляд на Вселенную, в соответствии с которым тяготение представляет собой искривление и изгиб пространства и времени, разительно отличается от жёсткого и неизменного пространства и времени Ньютона, полностью сохраняя при этом предсказательную силу ньютоновской картины тяготения и невероятно обогащая её. Математический аппарат теории относительности помогает объяснить сверхплотные звёзды, чёрные дыры, кротовые норы – и даже рябь и волны самих пространства и времени.