Три вопроса о прошлом и будущем

13, 7?

В наше время культурный человек, претендующий на знакомство с наукой, должен знать число 13, 7. Иначе сайт Общественного радио США, посвященный науке и культуре, не сделал бы это число своим названием: www.npr.org/13.7/ (русская десятичная запятая переводится английской точкой).

Впервые увидев это название, хочется проверить, действительно ли научно-культурные люди сразу поймут, что это — возраст Вселенной, выраженный в миллиардах лет. Проверить это в наше время легче всего, прогуглив «13.7». И получив почти четыре миллиона подтверждений плюс сотню тысяч уточнений:

 

«13.7 billion years» результатов примерно 3  920  000

«13.72 billion years» результатов примерно 113  000

 

Легко представить себе фаната науки, который, видя уточнение даты важнейшего события в истории Вселенной, ожидает, что вскоре наука выяснит 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 тридцати человек, точнее, согласно моему калькулятору, один из 34, 69026548672566.

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

Тот калькулятор, который впервые получил число 13, 7, тоже не знал всех предпосылок своих арифметических действий. Предпосылки эти описаны в научных статьях и книгах. Их авторы, как обычно в науке, различаются во мнениях о точности исходных измерений — своих и чужих — и о роли других, более хитрых, предпосылок, но, уверен, сходятся в том, что уточнение величины «13, 7» для науки не имеет особого значения. Знания о Вселенной, добытые с помощью космических и земных приборов, вовсе не сводятся к одному числу. Если какая-то предпосылка изменится и вместо 13, 7 появится, скажем, 17, 3, наука это легко переживет. Вот если появится величина, существенно меньшая, чем 13, 7, — скажем, 7, 13, то возникнет проблема. Дело в том, что известны звездные скопления, возраст которых больше 11 миллиардов лет.

Все это объясняется на сайте Космического агентства США (NASA), спутники которого собрали основные наблюдательные данные 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.

А вот обсудить смысл понятия «возраст Вселенной» стоит. Определяют эту величину примерно так, как криминалист определяет, откуда стрелял пистолет, изучая отверстие в стене и пулю. Зная марку пистолета и, стало быть, начальную скорость пули, он рассчитает ее траекторию. Криминалисту гораздо труднее, если пистолет — уникальный, ручной работы, или если пуля вообще вылетела не из пистолета, а была, скажем, последней ступенью маленькой ракеты.

Аналогично астрофизик, измерив нынешнюю скорость расширения Вселенной, то есть скорость разлета галактик, пытается выяснить, когда расширение началось — когда произошел «выстрел», названный Большим взрывом. Роль пистолета выполняет уравнение гравитации Эйнштейна, которое описывает разлет галактик, если известны все формы вещества и энергии, заполняющие пространство. На сегодняшний день астрофизики имеют представление о веществе, составляющем, как считается, лишь около 5 % всей начинки Вселенной. Остальные 95 %, так называемые «темная материя» и «темная энергия», — дело темное. Сама же теория гравитации Эйнштейна, хорошо проверенная в масштабах Солнечной системы, предполагается применимой и в масштабах, в миллиарды раз больших.

Уже отсюда ясно, что за числом 13, 7 кроются многие 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! ) вошло в сознание научно-культурной публики? Это случилось не так давно.

Оценки «возраста Вселенной» утряслись к ныне принятой величине еще в 1960-е годы, однако в публичную культуру научное число 13, 7 вошло много позже благодаря С. Хокингу, автору самых популярных в истории физики книг, в одной из которых читаем:

Величина 13, 7 здесь выглядит вполне научно-культурно, но ее объяснение, как сказал бы Ландау, — «обман трудящихся». Во-первых, «точка нулевого размера» — понятие чисто математическое, а не физическое. А во-вторых, и в самых главных, вместо исчезающе малой точки следовало бы поставить огромный вопросительный знак. Дело в том, что теория гравитации Эйнштейна, как обнаружил он сам еще в 1916 году, нуждается в квантовой доработке. Поэтому для физика и «решение уравнения Эйнштейна» осмысленно лишь тогда, когда имеет смысл само уравнение.

Квантовые границы нынешней теории гравитации и «обессмысливают» слова Хокинга о начальной точке. Уходя во все более давнее прошлое Вселенной, ее плотность, прежде чем стать формально бесконечной, приблизится к пограничной величине

 

Ρ cGh = c⁵/G²h ≈ 10⁹⁴ г/см³.

 

Дальше необходима теория квантовой гравитации, или cGh‑ теория. 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 этого нулевого события — слова пустые. Речь должна идти не о точке, а о вопросительном знаке, поставленном в 1936 году Матвеем Бронштейном, который предсказал 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 работает понятие времени, то нет и смысла говорить о моментах времени «за-граничного».

На языке нынешней физики можно говорить о моменте, когда излучение в расширяющейся и остывающей Вселенной расцепилось с веществом и стало реликтовым. Можно говорить о более раннем времени, когда еще сцепленное с веществом излучение остыло настолько, что средней энергии фотона уже не хватало на образование пары барион-антибарион, то есть о моменте, когда закончилось накопление барионной асимметрии. Можно говорить о времени, прошедшем с тех пор до наших дней, близком к 13, 7 миллиардам лет. Однако в физике нет пока слов, чтобы описать самый первый момент в истории Вселенной — ее «рождение». Поэтому начало отсчета времени — там, где «до н. э.» становится «н. э.», — можно связать с любым событием, кроме «рождения Вселенной», о котором науке ничего не известно.

Говорить же о «рождении Вселенной» на языке научно-популярном лучше всего, объясняя смысл самого выражения. Тогда не случился бы казус популярно-музыкальный и поучительный для научно-культурной публики. Несколько лет назад юная британская певица спела такую песенку:

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 twelve 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 с тобой я навсегда.

 

Некий научный слушатель обиделся на непочтительную замену точного числа 13, 7 на сомнительную догадку — 12 и выразил свою обиду в газете «Гардиан». В защиту песни высказались несколько читателей, в том числе и продвинутые в науке. Никто, правда, не сказал о проблеме cGh-края Вселенной, но и так свобода лирического слова победила.

Будь я читателем «Гардиан», я бы поддержал британскую певицу яблоком, помня его заслуги перед британской физикой. И сделал бы это примерно так.

Уподобим Вселенную яблоку в июле, когда оно еще растет в размерах. Предыдущие месяцы жизни яблока уподобим миллиардам лет жизни Вселенной, а на поверхности яблока разместим аналог земной цивилизации, соответственно уменьшенной. За века яблочной научной эры — занявшие пять — десять земных секунд — яблоко изменится так же мало, как и наша Вселенная за время от Архимеда до Хокинга. Но все же изменится, хоть тамошним ученым заметить это будет непросто. Сперва тамошний Гаусс 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°! Из такого рода измерений яблочные ученые сделают вывод, что их Вселенная — поверхность яблока — не плоская, а подобна сфере, и вычислят ее радиус. Спустя некоторое время, увеличив точность измерений, физики обнаружат, что радиус этот увеличивается со временем. Теоретики установят закон расширения их Яблочной вселенной, а продолжая этот закон в прошлое, тамошний Хокинг заявит, что когда-то — пару земных месяцев назад — вся Яблочная вселенная была сжата в одну точку нулевого размера, в сферу нулевого радиуса.

Сумеют ли тамошние физики догадаться, что яблоко начинается не с нулевой точки, а с цветка, внешне совершенно не похожего на яблоко? Для этого им понадобятся гораздо более глубокие понятия, чем обычные поверхностные представления… о яблоке.

В нашей земной цивилизации подобную догадку высказал три четверти века назад Матвей Бронштейн. Но до сих пор физики не придумали, как описать «цветок» квантовой гравитации в физике рождения Вселенной.

 

«…Квантовая гравитация физически бессмысленна»?

В 2004 году в издательствах Кембриджского и Оксфордского университетов вышли две солидные монографии с одинаковым лаконичным названием «Quantum Gravity». Монографию обычно пишут, чтобы подытожить исследования, изложенные в многочисленных статьях. В данном случае статей было так много, а проблема столь 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. Свое мнение обосновал он так:

В девятнадцатом веке физики верили, что все объекты погружены в эфир, и мучились над 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 и что без эфира можно прекрасно обойтись. Дайсон предложил последовать примеру Эйнштейна и отменить квантовую гравитацию. Есть, однако, важное отличие.

Неуловимый эфир можно назвать пережитком древнегреческой мифологии, в которой этим словом называли верхний — чистый и прозрачный — слой неба на вершине горы Олимп, где обитали греческие боги. Греческие философы разглядели идеально прозрачный эфир в устройстве 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 может понять даже школьник, который в «выбивании электронов с поверхности металла под действием света» узнает фотоэффект, давно вошедший в обыденную жизнь. Каждый пассажир метро, входя через турникет, прерывает фотоэффект на секунду-другую. Потому легко поверить, что обнаружить фотон — секундное дело. Легко также подсчитать, во сколько раз гравитационные силы слабее электрических, если вспомнить школьные законы Кулона и всемирного тяготения: F= e²/r² и F= GmM/r², и взять из школьного учебника величины заряда и масс электрона и протона. В итоге окажется, что электрическая сила больше гравитационной примерно в 10⁴⁰ раз. Так что, если обнаружить фотон — секундное дело, то для обнаружения гравитона надо время масштаба 10⁴⁰ секунд, или 10³³ лет, по сравнению с чем даже возраст Вселенной (~  10¹⁰ лет) — ничтожная величина.

Это и имел в виду Дайсон, прекрасно понимая, на что поднимает руку. Свое мнение он высказал в рецензии на популярную книгу о теории струн и элегантной Вселенной. За последние десятилетия изданы сотни книг о квантовой гравитации, опубликованы многие тысячи статей тысяч авторов. Не слишком ли много для теории, которой нет? Так, похоже, думает Дайсон. Он издалека следит за странными струнными идеями молодых коллег и кажется им старым чудаком, отставшим от скорого поезда прогресса. Ему самому когда-то подобными чудаками казались Эйнштейн и Дирак.

Однако физик Дайсон поставил ясный вопрос, зажав гравитон между фотоном и эфиром. А о фотоне он знает больше других, как один из создателей квантовой электродинамики, которой подчиняется каждый фотон. Поскольку никто из физиков не ответил на его критический довод, предложу свой историко-научный взгляд.

В конце 1940-х годов, когда Дайсон пришел в науку, уже давней историей были жаркие споры вокруг «релятивистской теории квант», от которой ожидали революционную перестройку масштаба теории относительности и квантовой механики. Те споры завершились признанием возможности частичного успеха — в квантовой электродинамике. Успех пришел пятнадцать лет спустя, когда, при участии Дайсона, была построена эта на сегодняшний день самая точная из физических теорий. Поэтому и его критический взгляд на квантовую гравитацию, в свете наилучшей теории… света, заслуживает внимания.

Ответить на его критику помогает работа Бронштейна, первым осознавшего глубину проблемы. Естественной кажется аналогия между фотоном и гравитоном, и слова эти рифмуются, и закон Кулона похож на закон всемирного тяготения, однако квантовая электродинамика принципиально отличается от квантовой гравитации. Отличие это подрывает понятие «гравитон» как самостоятельное и равноправное с понятием «фотон». Коренится отличие в опытном факте, открытом Галилеем и ставшем первым фундаментальным законом современной науки, а три века спустя — основой теории гравитации. Речь идет о законе свободного падения, о равенстве инертной и гравитационной масс и о принципе эквивалентности.

Фотон, или «частица света», вполне определенным образом соответствует электромагнитной волне, которая точно следует из уравнений электродинамики. 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. Не всякая волна связана с каким-то квантом: волна на поверхностности моря не связана с «квантом волнения», который можно было бы назвать частицей «поверхон».

Главное, Дайсон 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 такой теории наступает за cGh‑ рубежом, как впервые обнаружил Бронштейн, хоть масштаб cGh-границ, очень далекий от возможностей нынешних экспериментов, действительно ставит проблему.

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

Теоретик же, который, не отвлекаясь на кризисы, готовит очередной текст для публикации, напоминает ученого соседа, к которому пришел за советом 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 так далее, пока все куры не передохли. «Как жаль! — восклицает ученый сосед. — У меня еще столько вариантов! »

Куры в данном случае — это эйнштейновское «внешнее оправдание», которого в квантовой гравитации катастрофически не хватает. Неужели — впервые в истории физики — к успеху приведет путь «чисто внутреннего совершенства»?

 

⇐ Предыдущая22232425262728293031Следующая ⇒

Поделиться: