Кварки, протоны, Вселенная

Барашенков Владилен Сергеевич

Вопрос о том, что было «до начала мира», например, 40 или 50 миллиардов лет назад, предполагает, что тогда сохранялись условия, к которым приложимо наше понятие времени. На самом же деле для описания процессов вблизи «начала мира» нужны совсем другие мерки. Использовать здесь наши часы так же бессмысленно, как измерять длину и вес тела термометром.

Пожалуй, самый простой способ примирить поразительные выводы теории с привычными нам представлениями — это допустить, что начало Вселенной в том виде, как оно известно нам сейчас, является концом какой-то другой фазы развития материи, где наши представления о пространстве и времени требуют иных и принципиальных обобщений. Рассказать нам об этом может только теория: следы предшествующей фазы, если таковая была, стерты огненным хаосом Бит Бэнга, и опыт здесь пока бессилен. Правда, только «пока». По-видимому, мы узнаем нечто новое, когда астрофизические приборы заглянут так далеко в космос,

что смогут заметить разлетающиеся осколки древнего вещества Вселенной. Увидеть (в буквальном смысле этого слова), что творилось в момент ее рождения, когда, возможно, не оборвались еще связи с предшествующей фазой, мы сможем, когда научимся детектировать волны полей тяготения. Подобно тому как остаточное тепловое излучение космоса говорит нам о заключительной стадии «кипения» ядерного вещества в горниле Биг Бэнга, остаточные гравитационные волны, на которые не влияют высокие температуры, расскажут о самых первых мгновениях жизни Вселенной. Работы по созданию приборов, которые должны заметить и помочь нам расшифровать гравитационные следы процессов, бушевавших в только что родившемся мире, ведутся во многих странах, в том числе и в Советском Союзе.

Окрестность «начала мира» — предмет новой науки: квантовой космологии, которая еще только создается. Поэтому сегодня можно строить лишь грубые модели, чтобы хоть как-то с помощью известных нам физических законов попытаться получить наглядную картину рождения Вселенной. Одна из таких моделей предполагает, например, что существуют соприкасающиеся миры, каждый из которых в силу относительности пространственно-временных масштабов — элементарная частица в другом мире (вспомним о полузамкнутых мирах-фридмонах!). Точка соприкосновения — «прокол» из одного мира в другой. В одном мире это микроскопическая черная дыра, куда проваливается вещество (и, может быть, даже стягивается вся Вселенная), а в другом мире — «белая дыра», развертывающаяся в новую Вселенную. Растягивается и растет, как мыльный пузырь на проколотом футбольном мяче!

«Белая дыра» (извержение вещества из точки) может возникнуть и в том случае, если в невидимом нам мире, скрытом внутри фридмона, вдруг уменьшится масса, например «утонет» в самозамкнувшемся участке пространства. Тогда фридмон начнет распухать — раздуваться в огромную Вселенную.

В основе другой модели лежит мысль о том, что глубоко в микромире пространство-время имеет больше измерений, чем в макромире, причем привычных нам четырех измерений — длины, высоты, ширины и длительности — там может и не быть, так же как, например, в уже достигнутых нами микроскопических областях нет привычных нам левого и правого. С позиций знакомых нам ощущений вполне допустимо сказать, что материя находится там как бы вне времени и пространства, а точнее, в других пространственно-временных измерениях, которых нет в макромире. В силу каких-то причин, например, вследствие случайных флюктуаций, физических процессов, происходивших в праматерии, проявились известные нам пространственно-временные измерения, то есть материя вынырнула в «нашем пространстве», которое затем стало быстро расширяться.

Недостаток всех подобных моделей в том, что они не имеют под собой надежных экспериментальных оснований и поэтому сами содержат большое число загадок и темных пятен. Это гипотезы, которые еще предстоит обосновать и проверить.

Человек всегда стремился познать тайны окружающего его мира — найти первоэлементы, построить модель Вселенной как целого. Пожалуй, ни одна цивилизация не могла бы существовать, не обладая своей, пусть еще далекой от реальности картиной мироздания. Но когда дело касается моделей мира в целом, надо быть очень осторожным. С помощью различных гипотез на основе одних и тех же экспериментальных фактов могут быть построены различные модели, и узнать, какая из них ближе к реальности, не так-то просто. Теория должна преодолеть узкий пролив между Сциллой догматизма и Харибдой беспочвенной фантазии. В этом бурном проливе погибло уже немало теорий. Но немало и благополучно его миновали.

Однажды родившись, наша Вселенная вот уже 20 миллиардов лет непрерывно расширяется. А что станет с ней потом, например через 100 миллиардов лет? Чем ограничена сверху временная шкала?

Через 100 миллиардов лет мало что изменится. Разве только потухнут некоторые знакомые нам звезды. Существенные изменения произойдут, когда возраст Вселенной достигнет 100 триллионов лет — увеличится еще в тысячу раз. К этому времени все запасенное в звездах ядерное горючее будет исчерпано, Вселенная станет темной. Она будет похожа на газ с частицами из галактик, звездных скоплений и отдельных звезд. И как это всегда бывает в газовом облаке, между ними будет происходить множество случайных столкновений. Упорядоченные структуры распадутся, и входящие в их состав пылинки-звезды рассеются в огромном все еще раздувающемся пространстве Вселенной. Однако, как показывают расчеты, некоторая часть галактик

и звездных систем, а также, случайно оказавшихся рядом с ними звезд под действием сил гравитационного притяжения сожмутся в массивные объекты, которые затем превратятся в черные дыры. На все это уйдет около триллиона триллионов лет. По сравнению с таким гигантским интервалом времени продолжительность всей предшествующей жизни Вселенной — все равно что год по сравнению с ее 20 миллиардами лет.

Если верна теория «великого объединения», то дальнейшая судьба мира будет зависеть от радиоактивного распада протонов. Это процесс очень медленный, и для того, чтобы все адронное вещество Вселенной превратилось в фотон-лептонный газ с вкрапленными в него черными дырами, потребуется 10³²—10³⁵ лет. Частицами света и легким лептонным частицам, образующимся при распадах адронов, распадаться будет уже некуда и не на что: это стабильные частицы, а посему единственный процесс, который будет происходить далее во Вселенной (не считая ее расширения),— испарение черных дыр. Самые большие из них будут испаряться не меньше 10¹⁰⁰ лет. По сравнению с этим все другие фазы жизни Вселенной — ничтожный миг. За 10¹⁰⁰ лет она раздуется в шар чрезвычайно разреженного фотон-лептонного газа с размерами в 10¹¹⁰ километров. Если его диаметр принять за единицу измерений, то сегодняшние размеры Вселенной окажутся меньше геометрического кванта.

Что произойдет с нашим миром дальше — неизвестно. Знаменитый немецкий философ Гегель назвал неограниченно развертывающийся процесс, в котором нет качественных изменений, «дурной бесконечностью». Едва ли нашему миру уготована такая судьба. Надо полагать, какие-то процессы изменят однообразную картину бесконечного расширения инертного фотон-лептонного газа. Какие и как? Все это пока далеко за пределами современной науки и даже научной фантастики.

Рассказанный нами сценарий бесконечного расширения Вселенной предполагает, что массы нашего мира недостаточно для его замыкания. В противном случае силы гравитационного притяжения остановят его расширение и начнется обратный процесс — сжатие. Когда начнется, сказать трудно. Большинство ученых склонны считать, что если это и случится, то, скорее всего, уже после распада протонов, где-то на стадии испарения черных дыр.

Но если существуют большие массы невидимого нам вещества, это может случиться и раньше. Сжатие закончится гравитационным коллапсом, после которого может начаться новый цикл расширения Вселенной, возродившейся, как Феникс из пепла.

И это — только одна из возможных гипотез. Что может произойти за порогом гравитационного коллапса, не знает никто. В начале был Большой взрыв, в конце — Большое сжатие (или, как говорят физики, схлопывание). Есть ли что-нибудь между ними там, вне нашего пространства-времени? Даже слово «между» мы употребляем незаконно, ведь там и времени-то в нашем смысле нет!

Оба сценария дальнейшей судьбы Вселенной — неограниченное расширение и сжатие — основаны на теории относительности. Когда будет создана более совершенная космологическая теория, в них, возможно, придется внести коррективы. На это указывают нам некоторые несоответствия современной теории и наблюдений. Теория говорит нам, что в разных направлениях Вселенная должна расширяться неодинаково. Вероятность образования практически однородной по своим свойствам Вселенной крайне мала. Но реальная Вселенная почему-то именно такова. Недавние измерения микроволнового космического радиоизлучения — «космического радиофона» — показали, что его изменения по разным направлениям составляют менее одной стотысячной. В чем причина столь высокой изотропии Вселенной — загадка. Сегодня это, пожалуй, основная проблема космологии.

Заставляет задуматься и тот уже отмеченный нами удивительный факт, что масса нашего мира близка к массе замкнутого мира. Различие не более, чем на порядок, а скорее всего, даже меньше. Что это — случайность? Ведь масса могла бы быть любой, а она почти, критическая.

Недавно теоретики из Физического института имени П.Н. Лебедева, а вслед за ними и американские физики, основываясь на теории относительности Эйнштейна и идее суперобъединения всех существующих в природе полей, предложили новую теорию. В ней Вселенная вскоре после своего «рождения» почти мгновенно раздувается до колоссальных размеров, которые неизмеримо больше тех, что подсказывают нам астрономические наблюдения и теория Фридмана. В огромном «пустом» пространстве происходит преобразование вакуума, нечто вроде конденсации вещества из эфира. При этом в разных областях Вселенной образуется различный вакуум, и, как это всегда бывает при конденсации, выделяется много энергии, что, естественно, разогревает образовавшееся правещество до чрезвычайно высокой температуры. Дальше заполненные раскаленным сверхплотным веществом области пространства расширяются уже в соответствии с теорией Фридмана.