Великие сюрпризы космологии

 

Самым удивительным фактом современной космологии является то, что не вся она является иронической. Космология преподнесла нам несколько истинных, бесспорных сюрпризов. В начале XX столетия о Млечном Пути, острове звезд, внутри которого ютится наше Солнце, думали, что он составляет целую Вселенную. Затем астрономы поняли, что крошечные пятнышки света, называемые туманностями, которые считали газовыми облаками внутри Млечного Пути, на самом деле являются островами звезд. Млечный Путь — только одна из огромного числа галактик во Вселенной, которая намного, очень намного больше, чем кто-либо это себе представлял. Это открытие стало огромным, эмпирическим, неоспоримым сюрпризом, и даже самые твердолобые релятивисты с трудом решались его отрицать. Если перефразировать Шелдона Глэшоу, галактики не воображаемы и невоображаемы, они существуют.

Затем пришел черед еще одного великого сюрприза. Астрономы обнаружили, что излучение галактик неизменно смещается к красной части видимого спектра. Очевидно, галактики мчатся прочь от Земли и друг от друга, и эта скорость разлета галактик вызывает допплеровское смещение спектральных линий (такое же смещение имеет звук сирены «скорой»: становится ниже по мере того, как она удаляется от слушающего). Смещение в красную область спектра поддержало теорию, основанную на теории относительности Эйнштейна, о том, что Вселенная началась со взрыва, повлекшего за собой жизнь.

В пятидесятые годы теоретики предрекали, что огненное рождение Вселенной миллиарды лет тому назад должно было оставить после себя свечение в виде слабых микроволн. В 1964 году два радиоинженера из «Белл Лабораториз» натолкнулись на так называемое фоновое космическое излучение. Физики также предположили, что огненный шар творения послужил, как при ядерном взрыве, синтезу водорода в гелий и другие легкие элементы. Тщательные наблюдения на протяжении последних нескольких десятилетий показали, что обилие легких элементов Млечного Пути и других галактик точно соответствует теоретическим предсказаниям.

Дэвид Шрамм (David Schramm), работающий в «Фермилэб» и Чикагском университете, любит называть эти три линии доказательств — красную часть спектра галактик, фоновое излучение и огромное количество легких элементов — столпами, на которых стоит теория Большого Взрыва. Шрамм — крупный мужчина, грудь колесом, энергия бьет ключом. Он — летчик, скалолаз и бывший (во время учебы в школе) чемпион по греко-римской борьбе. Он неустанно пропагандирует Большой Взрыв и свою собственную роль в уточнении расчетов количества легких элементов. Когда я приехал в Швецию на симпозиум, Шрамм усадил меня рядом с собой и с огромным количеством деталей представил доказательства Большого Взрыва.

— Большой Взрыв сейчас фантастически обоснован, — сказал он, подчеркнув слово «фантастически». — У нас есть общая схема. Нам просто нужно заполнить пробелы.

Шрамм признал, что некоторые из этих пробелов довольно крупные. Теоретики не могут точно определить, как горячая плазма ранней Вселенной конденсировалась в звезды и галактики. Наблюдения показали, что видимые звезды, которые астрономы в состоянии рассмотреть в телескопы, недостаточно массивны, чтобы предотвратить разлет галактик в разные стороны; связывать галактики должна какая-то единая, или темная, материя. Вся материя, которую мы в состоянии увидеть, возможно, просто пена на глубоком, темном море.

Другой вопрос касается того, что астрофизики любят называть «крупномасштабной структурой». На заре космологии галактики казались разбросанными во Вселенной более или менее равномерно. Но когда качество наблюдений улучшилось, астрономы обнаружили, что галактики имеют тенденцию собираться вместе в окружении гигантских пустот. Наконец, встает вопрос о том, как Вселенная вела себя в так называемую эпоху квантовой гравитации, когда космос был таким малым и горячим, что все силы Вселенной считались унифицированными. Вот эти вопросы доминировали во время дискуссии на Нобелевском симпозиуме в Швеции. Но ни одна из этих проблем, настаивал Шрамм, не угрожала базовой схеме Большого Взрыва.

— Только потому, что торнадо нельзя предсказать, — сказал он, — не означает, что Земля не круглая[77].

Шрамм выступил примерно с таким же сообщением перед коллегами-астрофизиками на Нобелевском симпозиуме. Он настойчиво повторял, что космология вступила в золотой век. Его энтузиазм, более подходящий представителю Торговой палаты, казалось, раздражающе действовал на некоторых из его коллег; в конце концов, человек не становится астрофизиком для того, чтобы добавить детали, не открытые пионерами. После энного произнесения Шраммом словосочетания «золотой век», один физик рявкнул, что нельзя знать, золотой сейчас век или нет, если ты живешь в нем, — это можно определить, только оглядываясь назад. Шрамм не угомонился. Другой коллега предположил, что при помощи крупного Шрамма можно было бы решить проблему темной материи, используя его для связи галактик. Еще один предложил использовать Шрамма в качестве затычки, чтобы нашу Вселенную никто не высосал через червоточину.

Ближе к концу симпозиума в Швеции Хокинг, Шрамм и все остальные астрофизики сели в автобус и поехали в ближайшую деревню на концерт. Когда они зашли в лютеранскую церковь, где должен был состояться концерт, она уже была заполнена. Оркестр — белобрысые юноши и сморщенные старцы, крепко державшие скрипки, кларнеты и другие инструменты, уже был в сборе. Зрители заполнили балконы и места, обычно отводимые для паствы. Когда ученые пошли по центральному проходу к передним местам, зарезервированным для них, с Хокингом в инвалидной коляске во главе, жители деревни начали хлопать, вначале робко, затем страстно, и хлопали целую минуту. Это было очень символично: в этот момент, по крайней мере, в этом месте и для этих людей наука превзошла религию как источник истины о Вселенной.

Однако ученое сообщество раздирали сомнения. Пока не начался концерт, я услышал разговор между Дэвидом Шраммом и Нейлом Туроком (Neil Turok), молодым английским физиком. Турок признался Шрамму, что он так обеспокоен неразрешимостью вопросов, относящихся к темной материи и разлету галактик, что думает оставить космологию и перейти в другую область.

— Есть ли у нас вообще какое-то право понимать Вселенную? — жалобно спросил Турок.

Шрамм покачал огромной головой. Основная схема космологии, теория Большого Взрыва, абсолютно правильна, прошептал он, когда оркестр начал проверять инструменты, от астрофизиков просто требуется кое-где свести концы с концами.

— Все определится само собой, — сказал Шрамм.

Казалось, что слова Шрамма успокоили Турока, но, вероятно, ему следовало насторожиться. А что если Шрамм прав? Что если астрофизики уже имеют в виде теории Большого Взрыва основной ответ на загадку Вселенной? Что если все, что осталось, — это в самом деле лишь свести концы с концами, те, что можно?

При этом условии не удивительно, что сильные ученые типа Хокинга перескочили через теорию Большого Взрыва в постэмпирическую науку. А что еще делать такому творческому и честолюбивому человеку?

 

 

Русский маг

 

Одним из немногих соперников Стивена Хокинга как практика иронической космологии является Андрей Линде, русский физик, эмигрировавший в Швейцарию в 1988 году и два года спустя — в США. Линде тоже присутствовал на Нобелевском симпозиуме в Швеции, и его шутовство было одним из кульминационных моментов конференции. Выпив пару рюмок во время коктейля, устроенного на воздухе, Линде ударом каратиста разбил кирпич. Он постоял на руках, потом сделал сальто назад и наконец встал на ноги. Затем он достал из кармана коробок спичек и положил две из них на ладонь в форме креста. Линде совсем не шевелил рукой — по крайней мере так казалось, — а верхняя спичка дрожала и прыгала, как будто ее дергали за невидимую веревочку. Этот трюк свел коллег с ума. Вскоре спички и ругательства разлетались во все стороны — с дюжину самых известных в мире астрофизиков тщетно пытались повторить достижение Линде. Когда они захотели узнать, как это у него получается, он улыбнулся и пробурчал:

— Это квантовое колебание.

Линде еще более известен своей теоретической ловкостью рук. В начале восьмидесятых он помог получить признание одной из самых экстравагантных идей, когда-либо появлявшихся в физике частиц, — надуванию. Изобретение надувания (термин «открытие» тут не подходит) обычно приписывается Алану Гуту (Alan Guth)  из Массачусетского технологического института, но Линде помог усовершенствовать теорию и добиться, чтобы ее приняли. Гут и Линде предположили, что в ранней истории нашей Вселенной — когда ее возраст составлял 10 ⁴³ секунды, если быть абсолютно точным, когда космос, по-видимому, был гораздо меньше протона — сила тяжести могла на короткое время стать отталкивающей, а не притягивающей силой. В результате Вселенная, по-видимому, прошла через огромный, экспоненциальный скачок роста перед тем, как стабилизироваться на текущей, гораздо более малой скорости расширения.

Гут и Линде основывали свою идею на нетестированных — и почти точно не поддающихся тестированию — унифицированных теориях физики частиц. Тем не менее астрофизики влюбились в надувание, потому что оно могло объяснить некоторые животрепещущие проблемы, поднимаемые стандартной моделью Большого Взрыва. Во-первых, почему Вселенная кажется более или менее одинаковой во всех направлениях? Ответ заключается в том, что, как при надувании воздушного шарика разглаживаются «морщинки», точно так же экспоненциальная экспансия Вселенной делает ее относительно гладкой. Надувание также объясняет, почему Вселенная не является однородным консоме радиации, а включает куски материи в форме звезд и галактик. Квантовая механика предполагает, что даже пустое пространство до краев наполнено энергией; эта энергия постоянно колеблется, как волны, танцующие на поверхности озера, на которое дует ветер. В соответствии с теорией надувания выбросы, генерированные квантовыми колебаниями в самом начале жизни Вселенной, после надувания могли стать достаточно большими, чтобы служить гравитационными семенами, из которых выросли звезды и галактики.

Надувание имеет несколько удивительных скрытых смыслов, один из которых следующий: все, что мы видим в телескопы, представляет собой бесконечно малую часть огромного косма, созданного во время надувания. Но Линде на этом не остановился. Даже эта огромная Вселенная, утверждал он, является одной из бесконечного числа вселенных, порожденных надуванием. Надувание, после того как началось, никогда не может закончиться: оно создало не только нашу Вселенную — украшенный галактиками косм, который мы рассматриваем в телескопы, — но и бесчисленные другие. Эта мегавселенная имеет то, что называется фракционной структурой: большие вселенные рождают маленькие вселенные, которые, в свою очередь, рождают еще меньшие, и так далее. Линде назвал свою модель хаотичной, фракционной, самовозрождающейся, надуваемой вселенной[78].

Линде, который на людях кажется веселым и изобретательным, может быть и удивительно мрачным. Я заметил эту черту его характера, когда приехал к нему в Стэнфордский университет, где они с женой Ренатой Каллош (Renata Kallosh), также физиком-теоретиком, начали работать в 1990 году. Когда я пришел в серый, построенный в форме куба домик, который они арендовали, Линде провел меня по территории, где мы встретили Каллош, радостно сажавшую что-то на клумбе.

— Смотри, Андрей! — закричала она, указывая пальцем на ветку дерева над ее головой: там было гнездо, полное чирикающих птенчиков. Линде, бледность которого выдавала редкое пребывание на солнце, только кивнул. Когда я спросил, считает ли он, что Калифорния действует расслабляюще, он пробормотал:

— Может, даже слишком расслабляюще.

По мере того как Линде рассказывал историю своей жизни, становилось очевидно, что беспокойство, даже депрессия, сыграли значительную роль в его работе. На различных этапах карьеры он впадал в отчаяние от того, что заглянул в природу вещей — как раз перед тем, как добиться прорыва. Линде натолкнулся на базовую концепцию надувания в конце семидесятых годов, когда еще жил в Москве, но решил, что идея имеет слишком много недостатков, чтобы ее разрабатывать. Его интерес оживило предположение Алана Гута о том, что надувание может объяснить несколько загадочных черт Вселенной, таких, как ее гладкость, но версия Гута тоже имела недостатки. В результате глубочайшего размышления над проблемой, превратившейся в навязчивую идею, Линде нажил язву, но показал, как модель Гута можно приспособить, чтобы исключить технические ошибки.

Однако даже эта модель надувания зависела от особенностей унифицированных теорий, которые, как чувствовал Линде, являются сомнительными. В конце концов, скатившись в такую депрессию, что он с трудом поднимался с постели, Линде определил, что надувание может быть результатом более общего квантового процесса, впервые предложенного Джоном Уилером. По Уилеру, если у тебя есть микроскоп в триллионы триллионов раз мощнее, чем любой из существующих, то ты увидишь пространство и время дико колеблющимися по причине квантовой погрешности. Линде утверждал, что то, что Уилер назвал «пеной пространства и времени», неизбежно породит условия, необходимые для надувания.

Надувание — это самоистощающий процесс; расширение пространства быстро заставляет энергию, вызывающую надувание, рассеиваться. Но Линде утверждал, что раз надувание началось, то оно всегда будет где-то продолжаться — снова по причине квантовой погрешности. (Удобная штука эта квантовая погрешность! ) В текущую минуту возникают новые вселенные. Некоторые тут же исчезают. Другие надуваются так быстро, что у материи нет шанса коалесцировать. А некоторые, как наша, начинают расширяться довольно неспешно, так что сила тяжести способна вылепить из материи галактики, звезды и планеты.

Иногда Линде сравнивал этот суперкосмос с бесконечным морем. При близком рассмотрении это море создает впечатление динамизма и изменения, волны набегают и уходят. Мы, люди, поскольку мы живем внутри одной из таких вздымающихся волн, думаем, что вся Вселенная расширяется. Но если бы мы могли подняться над поверхностью моря, то поняли бы, что наш расширяющийся космос — это просто крошечная, незначительная, локальная часть бесконечного, вечного океана. В некотором смысле, утверждал Линде, старая теория стабильного состояния Фреда Хойла (Fred Hoyle), о которой речь пойдет ниже, была правильной: если смотреть с божественной перспективы, суперкосмос представляет собой тип равновесия.

Линде был не первым физиком, утверждавшим существование других вселенных. Но если большинство теоретиков относятся к другим вселенным как к математическим абстракциям, то Линде с радостью рассуждает об их свойствах. Например, разрабатывая свою теорию самовоспроизводящейся вселенной, Линде сделал заимствования из языка генетики. Каждая вселенная, созданная надуванием, порождает другие вселенные — «вселенные-детки». Некоторые из этих деток сохраняют «гены» предшественников и развиваются в похожие вселенные, с похожими законами природы — и, возможно, похожими обитателями. Взяв за основу антропологический принцип, Линде предположил, что некая космическая версия естественного отбора может отдать предпочтение сохранению вселенных, имеющих вероятность произвести разумную жизнь.

— Для меня очевиден факт, что где-то существует жизнь, подобная нашей, — сказал он. — Но мы никогда не сможем этого узнать.

Как Алан Гут и несколько других астрофизиков, Линде любил рассуждать об осуществимости создания надуваемой вселенной в лаборатории. Но только Линде спросил: а зачем кому-то создавать еще одну вселенную? Какой цели это будет служить? После того как какой-то космический инженер создаст новую вселенную, она, в соответствии с расчетами Линде, мгновенно отделится от родителя на скоростях, превышающих скорость света. И дальнейшая связь будет невозможна.

С другой стороны, предполагал Линде, возможно, инженер сможет манипулировать семенем до надувания таким образом, что оно разовьется во вселенную с определенными размерами и физическими законами. Таким образом инженер может заложить послание в саму структуру новой вселенной. Фактически, предположил Линде, наша собственная Вселенная могла быть создана существами из другой вселенной, а физики, подобные Линде, в своих неловких попытках открыть законы природы на самом деле расшифровывают послание наших космических родителей.

Линде представлял эти идеи осторожно, наблюдая за моей реакцией. Только в конце, возможно, с удовлетворением увидев мой открытый рот, он позволил себе легкую улыбку. Однако улыбка исчезла, как только я поинтересовался, каким может быть послание, введенное в нашу Вселенную.

— Похоже, — грустно сказал он, — что мы еще недостаточно выросли, чтобы это узнать.

Линде стал еще более мрачным, когда я спросил, беспокоит ли его то, что его работа может оказаться — я долго пытался найти нужное слово — чушью.

— В периоды депрессии я чувствую себя полным идиотом, — ответил он. — Я играю с очень примитивными игрушками. — Он добавил, что пытается не очень привязываться к своим собственным идеям. — Иногда модели очень странные, и если относиться к ним слишком серьезно, есть опасность попасть в капкан. Я бы сказал, что это походит на бег по очень тонкому льду на поверхности озера. Если бежишь очень быстро, то можешь не утонуть и пробежать большое расстояние. Но если остановишься, чтобы подумать, том ли направлении бежишь, то можешь провалиться и утонуть.

Похоже, Линде говорил, что его цель как физика — не достижение решения, не поиск Ответа, и даже просто какого-то ответа, а продолжение движения. Линде боялся мысли о конечности. Его теория о самовоспроизводящейся вселенной в этом свете имеет смысл: если вселенная бесконечна и вечна, то такова и наука, поиск знаний. Но даже физика, придерживающаяся этой теории вселенной, предполагал Линде, не может быть близка к окончательному решению.

— Например, сюда не включается сознание. Физика изучает материю, а сознание — не материя.

Линде соглашался с Джоном Уилером, что реальность может быть в некотором смысле «участвующим» явлением.

— Пока ты не сделаешь измерения, нет вселенной, ничего, что можно назвать объективной реальностью, — сказал Линде.

Линде, как Уилер и Бом, казалось, мучился от мистических томлений, что одна физика не может решить всё.

— Есть какой-то предел у рационального знания, — сказал он. — Один из способов изучить иррациональное — это прыгнуть в него и просто медитировать. Другой — это изучить границы иррационального инструментами рационального.

Линде выбрал последний вариант, потому что физика предлагала путь «не сказать полную чушь» о происходящем в мире. Но иногда, признался он, «я впадаю в депрессию, когда думаю, что умру как физик».

 

 

Миф надувания

 

Тот факт, что Линде завоевал такое уважение — он получил предложения нескольких американских университетов перед тем, как выбрал Стэнфорд, — является свидетельством как его риторического искусства, так и недостатка новых идей в космологии. Тем не менее к началу девяностых годов надувание и многие другие экзотические идеи, возникшие из физики частиц в предыдущем десятилетии, начали терять поддержку основных астрофизиков. Даже у Дэвида Шрамма, который как бык толкал вперед надувание, когда я встретился с ним в Швеции, зародились сомнения, я понял это, разговаривая с ним несколько лет спустя.

— Мне нравится надувание, — сказал Шрамм, подчеркнув слово «нравится», — но оно никогда не может быть всесторонне подтверждено, потому что не рождает никаких уникальных предсказаний, предсказаний, которые не могут быть объяснены каким-то другим путем. Надувание их не дает, — продолжал Шрамм, — в то время как с Большим Взрывом дело обстоит иначе. Красивое фоновое космическое излучение с обилием легких элементов говорит вам: «Вот они». Нет другого способа получить эти результаты.

Шрамм признавал, что астрофизики пытаются прорваться дальше, вглубь, к началу всех времен, их теории становятся более умозрительными. Космологии нужна унифицированная теория физики частиц для описания процессов в самом начале существования Вселенной, но подкрепить теорию, объясняющую всё, может оказаться очень сложно.

— Даже если кто-то предложит по-настоящему красивую теорию, типа теории суперструн, ее никак не протестировать. Так что на самом деле получается, что ты, когда делаешь прогнозы, а затем проверяешь их, не разрабатываешь научную методику. Никаких экспериментов нет. Это, скорее, просто математическая логичность.

Может ли так случиться, что его область в конце концов придет к тому, что станет интерпретацией квантовой механики, где эстетическими в первую очередь являются стандарты?

— Вот это и есть настоящая проблема, — ответил Шрамм. — Пока кто-то не предложит тесты, мы находимся в большей степени в философии, чем в физике.

Тесты должны представить Вселенную такой, какой мы ее наблюдаем, но это, скорее, получается постсказание, а не предсказание.

Всегда возможно, что теоретические объяснения черных дыр, суперструн, «это из частицы» Уилера и другой экзотики смогут сделать какой-то прорыв.

— Но пока кто-то не представит окончательные и бесповоротные тесты, — сказал Шрамм, — или нам не посчастливится найти черную дыру, которую мы сможем острожно исследовать, мы не получим никакой «эврики», дающей уверенность в том, что знаешь ответ.

Поняв значимость того, что он сказал, Шрамм внезапно стал вести себя подобно работнику службы по связям с общественностью. Тот факт, что у космологов столько трудностей в продвижении вперед, за модель Большого Взрыва — это хороший  знак, настаивал он, прибегая к очень знакомому аргументу.

— Например, при смене столетий физики говорили, что большая часть проблем физики решена. Есть несколько надоедливых маленьких проблем, но в основном все решено. А мы обнаружили, что это неверно.

Фактически наши находки обычно служат подсказкой, что грядет еще один большой прорыв. Как раз тогда, когда думаешь, что виден конец, обнаруживается, что это путь к совсем новому взгляду на Вселенную. И я думаю, вот что случится: мы стремительно наберем высоту и увидим то, чего не видели раньше. Мы решим надоедливые проблемы, которые раньше не могли решить. И я ожидаю, что решение этих проблем приведет нас в абсолютно новую, богатую и удивительную область. Дело не умрет[79].

Но что если космология уже  прошла свою кульминационную точку, в том смысле, что почти нет надежды на какие-либо эмпирические сюрпризы, такие же глубокие, как теория Большого Взрыва? Космологам везет, если они что-то знают определенно, заявил Ховард Джорджи (Howard Georgi), физик, занимающийся физикой частиц в Гарвардском университете.

— Я думаю, что на космологию надо смотреть как на историческую науку, как на эволюционную биологию, — сказал Джорджи, веселый розовощекий мужчина. — Люди пытаются смотреть на современную Вселенную и экстраполировать в другую область то, что интересно, но опасно делать, потому что могут быть несчастные случаи, имеющие серьезные последствия. Астрофизики усиленно пытаются понять, что может быть случайным и какие свойства являются постоянными. Но эти аргументы трудно понять, чтобы быть на самом деле убежденным.

Джорджи предположил, что астрофизики приобретут немного человечности, если прочитают книги биолога Стивена Джея Гоулда (Stephen Jay Gould), который обсуждает потенциальные трудности реконструирования прошлого, основанные на нашем знании настоящего (см. главу 5).

Джорджи засмеялся, возможно, поняв невероятность того, что кто-то из астрофизиков последует его совету. Как и Шелдон Глэшоу, чей кабинет находился дальше по коридору, Джорджи когда-то возглавлял поиск теории физики, объясняющей всё. И как Глэшоу, Джорджи в конце концов стал поносить теорию суперструн и другие теории-кандидаты на звание теории, объясняющей всё, которые не могут быть протестированы, а поэтому являются ненаучными. Судьбы физики частиц и космологии, отметил Джорджи, в некотором роде переплетены. Астрофизики надеются, что унифицированная теория поможет им понять происхождение Вселенной более четко. Наоборот, некоторые физики, занимающиеся физикой частиц, надеются, что вместо земных экспериментов они смогут найти подтверждение своих теорий, глядя в телескопы на края Вселенной.

— Это кажется мне слишком большим преувеличением, — спокойно заметил Джорджи, — но что я могу сказать?

Когда я спросил его о квантовой космологии, области, исследованной Хокингом, Линде и другими, Джорджи хитро улыбнулся.

— У простого физика, занимающегося физикой частиц, такого, как я, есть проблемы в этих неисследованных водах, — сказал он.

Он находил работы по квантовой космологии и все эти разговоры о червоточинах, путешествиях во времени и вселенных-детках довольно забавными, подобными чтению Книги Бытия. Что касается надувания, то это «великолепный научный миф, который по меньшей мере так же хорош, как любой другой миф о творении», который ему приходилось слышать[80].

 

 

⇐ Предыдущая891011121314151617Следующая ⇒

Поделиться: