Взорвался мир. Холодно.

Прямо сейчас, буквально на наших глазах, происходит революция в главной науке обо всем сущем — космологии. Ровно сто лет назад, в 1915-м, с подачи Альберта Эйнштейна случился первый переворот. Но Эйнштейн не сумел создать правильную теорию рождения Вселенной. Это сделали несколько человек в конце XX века, причем главными революционерами оказались наши ученые. Инфляционная теория… Знакомые слова, не правда ли?

Всякий научный журналист должен не менее трех раз за карьеру написать о космологии вообще и Большом взрыве в частности. Я этот сочинительский минимум давно перевыполнил, но писать все равно продолжаю, благо вторая космологическая революция вступила в решающую фазу, и вот-вот станет окончательно ясно, что же происходило в первые мгновения жизни нашей Вселенной.

На этот раз повод написать о космологии дал Борис Штерн — физик, выпустивший в 2014 году книгу «Прорыв за край мира». Книга вошла в шорт-лист премии «Просветитель», вручение которой состоялось в конце ноября. Первую премию Штерн не получил — причину назвал еще в сентябре один из членов жюри: «“Прорыв…” не относится к тем книгам, которые доступны моему пониманию». Доля правды в этом есть. Без сложных формул физику все же очень трудно перевести на интуитивно понятный язык.

Я позвонил Штерну и предложил написать текст вместе, причем в виде детектива:

— Пусть ученые, про которых ты говорил в книге, будут вроде следователей. Ведь наука сродни этой работе: есть улики — это данные, есть гипотезы — версии. И следственные эксперименты — опыты, исследования.

— Это все хорошо, — отвечал он, — но как ты в одну статью всю космологию уложишь? Замах у тебя гигантский.

— Так и Вселенная не маленькая.

Когда мы со Штерном перешли на «ты», я не очень помню. Кажется, это было возле Замоскворецкого суда, где оглашался приговор по «болотному делу». Тогда Борис стоял в центре цепи, раздираемой ОМОНом, и единственный остался на месте:

— Масса у меня большая — устойчивость, значит, тоже.

Но я отвлекся. Текст не про то, как винтят на митингах докторов наук и ведущих научных сотрудников известных во всем мире институтов. Текст про Вселенную. И с нею как раз отношения никак не складывались, поэтому я все время звонил Штерну и просил то одно место разъяснить, то другое. В конце концов Борис озверел и просто меня похитил:

— Поехали ко мне, хоть одну главу напишем. Иначе ты так и будешь меня каждый день терзать.

Дом в подмосковном Пущине. Три этажа.

— Борис, этот дом какой-то нестандартный. Ты отдельный проект заказывал? — спрашиваю.

— Я его сам спроектировал. Да, в общем-то, и построил.

Приходится смириться с чужой крутизной: да, и дом построил, и книгу написал, и доктор наук — формулы знает. К счастью для эго обычного человека, то есть меня, на жизненном пути такие личности встречаются не очень часто. «Может, он вообще один такой», — думал я, засыпая под шум дождя в домике с видом на Оку.

Про космологию мы говорили весь вечер и все следующее утро. Штерн оказался прав: не вышло в итоге ни детектива, ни глобального описания Вселенной от рождения до наших дней. Зато получилось приличное интервью-беседа о ключевых событиях в истории космологии XX века.

Но сначала все же напомню, в каком состоянии находится наука о рождении и существовании Вселенной. Итак…

Возраст Вселенной — около 13,8 млрд лет. Родилась она в Большом взрыве — в тот момент вся ее масса и энергия были сосредоточены в очень маленьком объеме. Самая продвинутая из современных гипотез, инфляционная, гласит, что у Большого взрыва было две стадии: холодная и горячая. На холодной стадии Вселенная раздулась из микроскопического пузырька вакуума до ощутимых размеров: та часть Вселенной, которую мы видим (горизонт), имела в тот момент размер около одного кубического сантиметра. Потом началась горячая стадия — время сумасшедших температур, образования частиц и уже не ускоренного расширения Вселенной. Потом это дело остыло, доросло до нынешних размеров. Появились звезды, галактики и мы с вами. 

Как исчезла Вселенная Ньютона, или Почему на Земле так темно?

«Опуская всяческих китов, слонов и хрустальные сферы, начнем исторический очерк с картины мира, которая уже может обсуждаться в рамках науки. Это вечная, бесконечная, в среднем неизменная Вселенная. Такая концепция постепенно сложилась в XVI–XIX веках и служила основной космологической парадигмой вплоть до 20-х годов ХХ века»

(из книги Бориса Штерна «Прорыв за край мира»).

— Борис, а кто именно так думал? — спрашиваю. — Были какие-то работы по бесконечной Вселенной?

— Все думали. Вся эпоха Просвещения. Джордано Бруно так думал… Ты не лезь в детали, нам важен парадокс Ольберса.

Знаете, дети спрашивают: «А где мир заканчивается? А когда он заканчивается, что там, дальше?» Человеческий мозг одинаково плохо приспособлен к восприятию как бесконечности, так и конечности мира. Поэтому наука мучилась такими «детскими» вопросами начиная с Коперника и Джордано Бруно. Окончательно решили, что мир бесконечен, с появлением механики Ньютона. Закон всемирного тяготения просто требовал бесконечного числа звезд: в противном случае они рано или поздно должны были притянуться друг к другу и слипнуться в один комок.

Но как только мысль о бесконечной Вселенной устоялась, то один, то другой астроном стали указывать на возникающее противоречие: «Если звезд бесконечно много, свет от них должен долетать до Земли, а небо сиять как Солнце. Но оно не сияет». Это противоречие и назвали парадоксом Ольберса — в честь немецкого врача и астронома, сформулировавшего его в 1826 году.

Парадоксов в, казалось бы, удобной картине мира было много. Например, при бесконечном числе звезд на каждую частицу во Вселенной действует бесконечное число сил, что автоматически отменяет законы Ньютона. Или тепловая смерть: за бесконечное время звезды должны остыть, планеты нагреться, а температура во Вселенной стать одинаковой во всех точках.

— В общем, Вселенная либо не вечна, либо не бесконечна, либо и то и другое, — подытоживает Штерн. — И в конце позапрошлого века интересующийся наукой человек должен был спросить: «Каким было ее начало? Каким же образом Вселенная могла родиться?»

Вселенная взрывается, или Rμν – ½ R gμν = 16 π G/c⁴ Tμν

 «Парадигма вечной Вселенной дожила до 20-х годов ХХ века и пала жертвой не столько собственных противоречий, сколько новых фактов и теорий. <…> Сокрушающим фактом стал закон разбегания галактик, открытый Эдвином Хабблом. Теоретической основой революции — общая теория относительности Эйнштейна и решение уравнений Эйнштейна для Вселенной как целого, найденное Александром Фридманом и позже Жоржем Леметром. Главные события революции произошли в 20-х годах».

(из книги Бориса Штерна «Прорыв за край мира»).

Про первую космологическую революцию написано так много и подробно, что здесь я приведу лишь основные даты, подкрепив их беседами журналиста и физика.

1915–1917 годы. Эйнштейн формулирует общую теорию относительности, главное уравнение которой вынесено в название главы. Так он пытается «исправить» теорию гравитации Ньютона.

— Что все-таки сделал Эйнштейн? — спрашиваю Бориса.

— Он создал аппарат для исследования…

— Ага. Тогда давай уравнение разберем!

— Ты будешь в журнале рассказывать, что такое тензор?

— Ну нет… Но все же что там изменилось с гравитацией?

— Понимаешь, у Эйнштейна гравитация — это кривизна пространства. В левой части уравнения кривизна, а в правой части «тэ мю ню». Это называется тензор энергии-импульса и включает в себя все виды энергии: массу, плотность энергии, давление, натяжение, всякие скручивания и так далее.

— То есть если мы что-то меняем в уравнении, то кривизна пространства изменяется и гравитирует все: энергия, масса? Вот летит фотон — меняется кривизна пространства, висит звезда — тоже меняется, так?

— Да, причем если звезда вращается, то и это учитывается: она вращается и увлекает за собой пространство.

В общем, Эйнштейн в общей теории относительности создал такую динамическую модель пространства, где геометрия зависит от массы и энергии. И, разобравшись с пространством, стал разбираться с устройством Вселенной.

Только у него никак не выходило, чтобы Вселенная существовала вечно. «Я пришел к убеждению, — писал Эйнштейн, — что уравнения гравитационного поля, которых я до сих придерживался, нуждаются в некоторой модификации». И он волевым решением добавил в уравнения «лямбда-член», или «космологическую постоянную», как ее чаще называют. По сути, эйнштейновская «лямбда» — это антигравитация. И нужна она была, чтобы предохранить вечную Вселенную от того же, чего опасался и Ньютон, — от коллапса под действием тяготения. Лямбда «расталкивала» звезды и галактики, удерживая мир в равновесии.

1922–1924 годы. Александр Фридман публикует решения уравнений Эйнштейна. В его «особом мире» Вселенная либо разлетается, либо сжимается. В статье, написанной в Петрограде в 1922 году, Фридман говорит: «…этот новый тип Вселенной в остальных своих свойствах напоминает цилиндрический мир Эйнштейна». Особый цилиндрический мир оказался тем самым, в котором мы живем. А вы не замечали?

1927 год. Жорж Леметр воспроизводит решения Фридмана и активно пропагандирует теорию нестационарной Вселенной. Вводит понятие первичного атома, из которого раздулась Вселенная (позже это назовут Большим взрывом). И теоретически предсказывает, что чем дальше от нас находится какая-нибудь галактика, тем быстрее она удаляется. Это было логично: по Фридману, мир расширяется не из какого-то центра, а в каждой точке, и между далекими галактиками этих точек больше.

1929 год. Хаббл открывает, что далекие галактики улетают быстрее, чем близкие. Предположения Леметра становятся очевидным фактом. Эйнштейн признает нестационарность Вселенной и Большой взрыв.

— Если Вселенная расширяется, значит, сначала она была маленькой. Как они, Фридман и Леметр, это представляли? — спрашиваю. — Вот у Леметра есть первичный атом. Это что, вещество?

— Да, по всей видимости, вещество. Только очень плотное. Вселенная была вначале очень маленькая и очень плотная.

— То есть там были сосредоточены все-все-все атомы, но в каком-то неизвестном состоянии?

— Да. Во времена Фридмана в уравнения входила сингулярность, то есть начальное состояние с бесконечной плотностью. Зародыш, откуда потом вылетает вся материя.

Надувной шарик, или Почему мы должны видеть свой затылок, но не видим 

«Вселенная — физический объект?! Данный подзаголовок в XIX веке прозвучал бы как ужасное кощунство. Статус вместилища всего сущего предполагал, что Вселенная — это то, в чем разворачивается история, внутри которой работают законы мироздания, и что вопрос: “Есть ли какие-либо законы, управляющие Вселенной как таковой?” не имеет смысла. Но уже в 20-х годах XX века Вселенная была необратимо разжалована из высших философских категорий в объект, описываемый уравнениями».

(из книги Бориса Штерна «Прорыв за край мира»).

Когда дым революционных сражений рассеялся и начались 1930-е годы, оказалось, что человечество живет уже в другой Вселенной, нежели за пару десятков лет до того.

Во-первых, она родилась. Во-вторых, расширялась по всем направлениям с какими-то немыслимыми скоростями. В-третьих, у нее была кривизна, представить которую нормальному сапиенсу, не владеющему аппаратом эйнштейновской математики, было сложно.

— Ты здесь про шарик напиши, — говорит мне Штерн, поглаживая Джека — огромного пса, который «никогда на человека не нападет».

Самому Штерну это объяснял Капица на лекции в Физтехе:

— Он брал воздушный шарик, на котором были нарисованы завитки-галактики, подсоединял его к трубке компрессора и открывал вентиль. Шар медленно надувался, а Сергей Петрович, разводя руками, показывал, как галактики разбегаются, — чем дальше друг от друга, тем быстрей, как и наблюдал Хаббл. Потом шарик громко лопался, и лектор обводил аудиторию победным взглядом. Эта демонстрация снимает глупые вопросы типа: «Где произошел Большой взрыв? Откуда разбегаются галактики? Где у Вселенной край?» Многие воспринимают Большой взрыв по аналогии с обычным взрывом: разлет вещества в пустоту из некоего эпицентра. Смотрите на надувной шарик, на его поверхность! Там нет и не было центра разлета.

— Ну, про кривизну пространства понятно, — говорю. — Но вот ты пишешь, что Вселенная стала просто еще одним объектом. А ведь любой физический объект куда-то помещается...

— Если говорить только о нашей Вселенной, то это действительно физический объект, замкнутый и конечный. Его можно изучать, у него есть характеристики: плотность, температура… И вот еще что, про кривизну. В книге я это не написал, а здесь следует: если Вселенная как поверхность шарика, то свет должен вдоль нее идти, — куда бы человек ни посмотрел, он увидит противоположный полюс. И если на том полюсе ему ничего не застит, то в конце концов он увидит собственный затылок.

— Почему мы тогда его не видим?

— Ответ тривиальный: Вселенная слишком большая, чтобы свет успел ее обогнуть за время ее существования. Горизонт событий составляет только малую ее часть и никогда не вырастет до размеров Вселенной.

У Вселенной температура, или Эхо Большого взрыва

«В 1965 году это излучение зарегистрировали и вскоре измерили его температуру с хорошей точностью. Температура оказалась равна 2,7 градуса Кельвина. Именно ее покажет термометр в межгалактическом пространстве».

(из книги Бориса Штерна «Прорыв за край мира»).

Оставался вопрос: как это Вселенная расширилась из точки? Каким был механизм превращения? Приличную гипотезу-ответ предложил американский астрофизик Георгий Гамов в 1946-м.

— Гамов пытался придумать, откуда во Вселенной так много гелия, — рассказывает Штерн. — Для этого ему понадобился Большой взрыв — горячая стадия Вселенной, когда образуются атомы. И он вычислил температуру этого взрыва и температуру излучения, которое осталось от взрыва.

— Того самого реликтового излучения?

— Да. С температурой он ошибся, если честно. Получил правильное значение неверным способом. А в 1965-м реликтовое излучение открыли почти случайно Пензиас и Вильсон.

— Когда говорят про температуру 2,7 Кельвина, это что значит?

— Если термометр поместить вдали от галактик, что он покажет? Температуру в 2,7 градуса. Это и есть температура Вселенной. Не вещества — его там нет, — а излучения, заполняющего весь объем Вселенной. Там вот что происходило. Когда Вселенной было 380 тысяч лет, она была очень горячая и непрозрачная, потому что все вещество в ней было плазмой. Она стала остывать, элементарные частицы объединялись в нейтральные атомы — это называется рекомбинацией водорода. И фотоны, то есть свет, вылетавший при этом из водорода, остался во Вселенной.

Тот свет Большого взрыва и есть реликтовое излучение. За 13,8 млрд лет фотоны сильно остыли — потеряли энергию. Но реликтовое излучение сейчас единственное свидетельство Большого взрыва, и по его характеристикам судят о том, что случилось еще раньше, до горячей стадии.

Футбольный мяч на Останкинской телебашне, или Могло ли быть иначе?

«Концепция Большого взрыва и расширяющейся Вселенной родилась в 20-х годах ХХ века, постепенно утвердилась, а в 60-х была окончательно подтверждена открытием реликтового излучения. Но при этом в ней остались очевидные дыры. Как и в первом случае, эти дыры имели форму простых, почти детских вопросов, на которые не было ответа». 

(из книги Бориса Штерна «Прорыв за край мира»).

Как только концепция Большого взрыва победила, ее немедленно принялись ломать. Слишком многое в схеме Фридмана — Леметра бралось с потолка.

Во-первых, удивительная точность того, как Вселенная подобрала начальные условия. Они «должны быть подогнаны гораздо точней, чем у такого броска мяча на Останкинскую башню, чтобы он мягко сел на ее верхушку и остался там в равновесии», — пишет Штерн.

Во-вторых, Вселенная всюду одинакова на миллиардах световых лет, а ведь в момент Большого взрыва дальние области ничего друг о друге не знали, между ними не было причинно-следственных связей.

В-третьих, во Вселенной очень много частиц, и непонятно, откуда они взялись (словами Штерна — «почему во Вселенной до хрена так много всего?»).

В-четвертых, что же взорвало Вселенную в точке сингулярности?

— Понимаешь, даже первого вопроса достаточно, — говорит Борис. — В решениях Фридмана есть критическая плотность, и она сейчас близка к критической. Иначе Вселенная давно бы схлопнулась или разлетелась к чертям собачьим. Так вот, чтобы обеспечить это, в момент рождения плотность должна равняться критической с немыслимой точностью. Если бы плотность отличалась на 10 в минус 50-й степени, Вселенной бы не было. И это ни из чего не следовало. Физики просто закладывали эти значения руками.

— А разве это проблема? Ну, так получилось!

— В каком-то смысле проблема. По крайней мере это нужно суметь объяснить. Могло ведь быть иначе. Правда, тогда бы и нас не было. И не сидели бы мы тут за большим столом, да, Джек?

Колебания пустоты, или Вакуум как источник всего сущего

«В классической физике, как и в сознании подавляющего большинства людей, вакуум — это пустота. В квантовой теории поля вакуум — арена действия чудовищных сил»

(из книги Бориса Штерна «Прорыв за край мира»).

Если взять две отполированные металлические пластины и приблизить их друг к другу на расстояние в несколько микрон, они начнут притягиваться настолько сильно, что это можно будет измерить. Речь идет о так называемом эффекте Казимира.

— Какой-нибудь невежда спросит: «Как это так? Вакуум — пустота! В космосе пустота, там ничего нет, кроме редких атомов!» И вот тут хорошо бы ему в нос ткнуть эффект Казимира, — говорит Штерн.

— Можно я немножко побуду этим невеждой? — говорю. — Я тоже не понимаю, откуда в вакууме берутся огромные силы и энергии.

— Квантовая механика говорит, что никакие поля не могут находиться в состоянии покоя. В том числе и электромагнитное поле. Оно все время колеблется так, что эти колебания друг друга гасят, мы их не видим. Это называется «нулевые колебания поля». Металлические пластины в опыте Казимира чуть-чуть влияют на них: они обрезают вакуумные колебания электромагнитного поля с длиной волны больше, чем расстояние между ними.

В общем, если журналист правильно понял физика, то вакуум — это совсем не ноль энергии. Наоборот. Он буквально набит полями и виртуальными частицами, известными и неизвестными. Впрочем, о частицах я и сам помнил из какой-то детской книжки по квантовой механике: великий Дирак так и говорил, что вакуум — самая плотная упаковка частиц в природе, одна к одной, называлось это «море Дирака».

— Современная физика работает по-другому, для вычислений это не нужно, — говорит Штерн. — Но море Дирака сохранилось как физическая сущность.

— Борис, а почему мы вообще сейчас про вакуум говорим? При чем здесь наша космология?

— Так ведь вакуум сыграл основную роль!

Тяжелое ничто, или Что было до Большого взрыва

«…Казалось, что вопрос о начальных условиях в терминах науки будет решен нескоро, что это вопрос для философов или, прости господи, теологов.  Оказалось, что этот проклятый вопрос решается той же силой Природы, что придала Земле шарообразную форму: гравитацией. Только не в ее тяготеющей ипостаси, а в отталкивающей. Это был, конечно, прорыв. Возьмем на себя смелость назвать его второй космологической революцией, которая произошла в начале 80-х годов»

(из книги Бориса Штерна «Прорыв за край мира»).

Вакуум и стал тем местом, где произошла вторая космологическая революция. Нет, что я говорю вслед за Штерном, — не произошла, а происходит. Дым сражений еще не развеялся, а решающие аргументы не высказаны.

— Алексей, а теперь вопрос: что, если когда-то энергия вакуума не равнялась нулю и была огромной? По выражению Андрея Линде, это было «тяжелое ничто». И тут же даем ответ: из уравнения Фридмана видно, что Вселенная росла экспоненциально. Каждые две точки в таком пространстве удаляются друг от друга, скажем, вдвое за один и тот же промежуток времени.

— Насколько я понимаю, это главное положение инфляционной теории…

— Да.

В конце 70-х — начале 80-х годов прошлого века ряд физиков и математиков предложили идею: в самом начале времен в чем-то вакуумно-квантовом, чему пока нет названия и для чего еще нет теории, образовался микроскопический пузырек вакуума с огромной энергией. Про размеры пузырька говорить нельзя: мы их не знаем. Точно так же не знаем и сколько времени он разбухал с удвоением за доли секунды. Ведь мы видим только ничтожную часть той Вселенной, которая из него возникла. Мир, который мы не видим, может быть и на тридцать, и на сто порядков больше нашего горизонта. И он стал ускоренно расширяться за счет энергии гравитации вакуума. Точнее, в тот момент это была антигравитация (парадоксально, но физики описывают и то и другое одинаковыми уравнениями, да и физическая сущность одна и та же — изменение кривизны пространства; только когда энергии много и пространство очень кривое, привычное нам гравитационное притяжение сменяется отталкиванием).

О масштабах можно судить по размерам Галактики — она родилась из точки размером 10–27 см и раздулась на 24 порядка за 70 удвоений масштаба. То есть в конце стадии, когда закончилось действие «антигравитации», Галактика была микронного размера. По времени это заняло чуть меньше 10–35 секунды. Ну а дальше начались события, описанные еще Фридманом, Леметром и Гаммовым, — собственно Большой взрыв, образование частиц и расширение по инерции.

Отцами-основателями новой теории считаются три человека: Алексей Старобинский, сотрудник Института теоретической физики имени Ландау, Андрей Линде, в то время сотрудник ФИАНа, и американец Алан Гут, придумавший название для этого сумасшедшего раздувания. Инфляция. Теория тоже получила название инфляционной.

— Обязательно нужно назвать четвертого, — говорит Штерн. — Я везде за это борюсь. Четвертый — бывший аспирант ФИАНа Вячеслав Муханов, который объяснил, как при инфляции образуются зародыши будущих галактик и их скоплений. Соавтор основополагающей работы — Геннадий Чибисов, но основное сделал Слава.

— Да, правильно, четыре. Давай вернемся к их мыслям. Про приоритет еще Ньютон с Лейбницем спорили…

— Давай. Как все это могло начаться? В варианте Старобинского начало вообще не прописано. Эта расширяющаяся Вселенная существовала изначально. Это положение неправильное, потому что такая Вселенная нестабильна. А модель у Старобинского замечательная. У Гута неправильно другое: Вселенная у него в термодинамическом равновесии с самого начала, а для этого не хватало времени. Но именно Гут разъяснил, как инфляция решает все парадоксы, поэтому его считают отцом новой парадигмы. А решение интриги такое: пусть природа пробует что угодно, в один прекрасный момент сложатся подходящие условия для старта инфляции. Это тот сценарий, что предложил Линде, — говорит Штерн. — И в него можно подставлять разные модели, например модель Старобинского.

Ответ должна дать квантовая гравитация — наука, которой пока нет. Она про такие масштабы и энергии, где уже не работают известные нам физические законы.

Как бы там ни было, любая модель инфляции (а таких к началу нового тысячелетия накопилось несколько десятков) убирает неясности Большого взрыва:

1. Вселенная так велика и сбалансирована с точностью до попадания мячом на вершину телебашни как раз потому, что расширилась с ускорением на десятки порядков. Кривизна ее стала ничтожной, а плотность как раз такой, чтобы совпасть с критической.
2. Вселенная одинакова, потому что родилась из одного пузырька.
3. В мире так много частиц, потому что после расширения энергия вакуума перешла в форму вещества. Как говорят физики, «вакуум выгорел».

Остается вопрос, что же взорвало Вселенную из сингулярности. Точнее, не из сингулярности — квантовая механика ее отменяет, — а из состояния, где нет ни пространства, ни времени, одна «квантовая пена». Как появился пузырек «классического» пространства-времени? Ответ на этот вопрос должна дать квантовая гравитация — наука, которой пока нет. Наука про такие масштабы и энергии, где уже не работают известные нам физические законы. Когда эта наука появится, произойдет третья космологическая революция.

P. S. Когда теоретики предложили инфляционную гипотезу, мало кто думал, что ее можно будет быстро проверить. Речь идет о столь ранних временах и столь микроскопических размерах! Однако у физиков оказался прекрасный объект для проверки — реликтовое излучение. Инфляционная теория точно предсказала, каким оно должно быть. Новое поколение обсерваторий уже полтора десятка лет подтверждает то, что было изложено как математическая абстракция. Вторая космологическая революция практически свершилась. 

Опубликовано в журнале «Кот Шрёдингера» №1-2 (03-04) январь-февраль 2015 г.

_{Подписаться на «Кота Шрёдингера»}