Вселенная из ничего теория. Как вселенная появилась из ничего

Джейк Хеберт

Объяснение вселенной составляет огромную проблему для тех, кто отрицает Творца: каким образом вселенная могла появиться из ничего? Некоторые ученые даже начали заявлять, что вселенная не имела начала, и существовала вечно – настолько велика проблема. Так как многие ученые-атеисты признали модель Большого взрыва, они согласились и с тем, что у вселенной и в самом деле было начало. Следовательно, им необходимо объяснить это начало.

Физик-теоретик Лоренс Краусс заявляет в своей книге, что могла образоваться из ничего под действием физических законов. Другие физики предлагают похожие аргументы.

Ученые обратились к хорошо известному явлению образования и уничтожения «виртуальных частиц». Спонтанное (но кратковременное) появление из вакуума субатомных частиц носит название «квантовая флуктуация». Эти субатомные частицы появляются и исчезают за такие короткие интервалы времени, что их невозможно увидеть. Однако можно уловить эффекты этих виртуальных частиц. К примеру, они являются причиной малозаметного воздействия на спектр атома водорода, известного как «лэмбовское смещение». Короткое время жизни этих виртуальных частиц установлено принципом неопределенности Гейзенберга (ПНГ), согласно которому короткоживущее состояние не может иметь точно определенной энергии.

Принцип неопределенности Гейзенберга ограничивает время, в продолжение которого может сохраняться квантовая флуктуация. Чем больше энергия флуктуации, тем короче время ее сохранения . Именно по этой причине виртуальные частицы появляются и исчезают через очень короткие временные интервалы.

Краусс и другие физики-эволюционисты утверждают, что вселенная сама является результатом подобной квантовой флуктуации. Однако принцип ПНГ представляет для такого заявления определенное затруднение. Никто не стал бы сомневаться в том, что энергоемкость всей вселенной огромна. Стало быть, если предположить, что вселенная появилась путем квантовой флуктуации, содержание энергии во всей вселенной было бы настолько громадным, что времени для ее появления было бы очень мало, и вновь образовавшаяся вселенная сразу бы исчезла. Поэтому весьма трудно понять, каким образом наша громадная вселенная могла возникнуть из такой флуктуации.

Однако, как утверждают физики-эволюционисты, если бы содержание энергии во всей вселенной было бы равно нулю , образованная из такой флуктуации вселенная могла бы сохраняться до бесконечности, не нарушая при этом принцип неопределенности Гейзенберга. Надо признать, умный аргумент. Так что же, «новые атеисты» нашли убедительный способ объяснить существование нашей вселенной без Бога?

Не совсем. Данный аргумент строится на предположении о том, что общая энергия вселенной равна нулю, а последнее непосредственно основано на идее Большого взрыва. Стивен Хокинг пишет:

«Идея об инфляции вселенной также объясняет, почему во вселенной так много материи…Ответ на этот вопрос лежит в рамках квантовой теории: частицы могут образовываться из энергии в форме пар «частицы/античастицы». Но это вызывает новый вопрос: откуда взялась энергия? Дело все в том, что общая энергия вселенной равна нулю».

Несмотря на забавное утверждение Хокинга, ни один человек не может знать точного содержания энергии во вселенной. Для того чтобы проверить заявление о том, что энергоемкость вселенной равна нулю, необходимо учесть все существующие во вселенной формы энергии (гравитационная потенциальная энергия, относительные энергии всех частиц и др.), сложить их вместе, а затем проверить, что сумма и в самом деле равна нулю. Несмотря на весь ум и дипломы Хокинга, вряд ли его можно считать знающим человеком.

Итак, заявление о «нулевой энергии» вселенной основано не на прямых подсчетах, а на интерпретации данных, рассматриваемых через призму модели Большого взрыва. Из вышесказанного понятно, что подобное заявление основано на теории инфляции , согласно которой сразу же после Большого взрыва во вселенной произошел короткий, ускоренный период расширения. Но идея «инфляции» является идеей ad hoc (лат. «наугад »), присоединенной к изначальной модели Большого взрыва с целью решить множество серьезных (и даже неизбежных) проблем. Хокинг, Краусс и другие ученые делают выводы о нулевой энергии вселенной потому, что она якобы вытекает из теории инфляции. Однако, для тех, кто не принимает теорию Большого взрыва (и теорию инфляции) априори, совершенно непонятно, каким образом количество общей энергии во вселенной может равняться нулю. Фактически это вообще маловероятно.

Более того, когда виртуальные частицы на мгновение появляются внутри вакуума, они появляются в пространстве, которое уже существует . Поскольку само пространство является частью вселенной, для ее спонтанного образования вначале каким-то образом должно было появиться само пространство.

В своей вышедшей недавно книге Краусс лишь вскользь рассматривает этот важный вопрос. Большую часть книги он посвящает защите теории Большого взрыва, смешным историям и критике креационистов, и лишь в конце он всерьез говорит о появлении вселенной из ничего. Хоть книга и состоит более чем из 200 страниц, все же Краусс выделил для рассмотрения этого вопроса мало места. Он утверждает, что вселенная из ничего могла появиться благодаря квантовой гравитации (теория, объединяющая квантовую механику и общую относительность). Однако главной проблемой такого заявления является то, что реальной теории квантовой гравитации еще не существует.

Более того, заявление о том, что законы физики могли образовать нашу вселенную, связано с рядом серьезных логических трудностей. Наше понимание законов физики основано на наблюдении. К примеру, наше знание законов сохранения импульса и энергии основано на наблюдениях, сделанных в тысячах экспериментов. Никто и никогда не наблюдал, как появилась вселенная. Это означает, что любые законы физики, которые привели (даже в принципе) к появлению вселенной, полностью находятся за рамками нашего опыта. Законы физики, какими мы их знаем, просто не применимы к этому вопросу. Для спонтанного создания вселенной скорее необходимы были бы какие-то более высокие «мета» или «гипер» законы физики, которые напоминали бы (или нет) известные нам законы физики.

Но здесь возникает другая проблема. Поскольку подобные гипотетические мета и гипер законы физики находятся полностью за рамками нашего опыта, почему физики-атеисты наивно допускают, что для описания образования вселенной можно применить правила принципа неопределенности Гейзенберга? Они открыто размышляют о других (ненаблюдаемых) вселенных в подозрительной «мультивселенной», в которой могут действовать законы физики, радикально отличающиеся от наших собственных законов. Если, как известно, принцип неопределенности Гейзенберга действует только внутри нашей вселенной, совершенно непонятно, почему физики применяют его к вопросу о создании вселенной. Вполне возможно, что этот принцип и в самом деле является частью гипер законов физики, а возможно и нет. Можно много размышлять на эту тему, но размышления – это не наука.

К тому же, если бы эти предполагаемые высшие законы физики и существовали, для того чтобы они могли создать вселенную, они должны были бы существовать отдельно от вселенной. Однако такого рода предположение – дилемма для атеистов, утверждающих, что космос – это все, что существует. Незадолго до смерти Карл Саган, переписываясь с Ларри Вардиманом из Института Креационных исследований, признался, что это стало проблемой для его мировоззрения. Его взгляд на происхождение вселенной предполагал существование законов физики, которые и создали космос, но из-за того, что ученый не признавал Творца, он не мог объяснить происхождение самих законов. Существование законов физики за пределами самого космоса явно противоречило его хорошо известной аксиоме «Космос - это все, что есть, что когда-либо было и когда-нибудь будет».

Атеист, конечно же, мог бы попытаться обойти это затруднение, заявив, что космос не имеет начала и он существовал вечно.

Но даже такой подход к вопросу оставляет множество неразрешенных проблем. К примеру, некоторые ученые заявляют, что космос в целом - так называемая мультивселенная - бесконечен, и в нем содержится много отдельных вселенных (последствие современной теории инфляции вселенной). Согласно этому представлению только наша вселенная появилась 13.7 млрд. лет назад. Существование других утверждаемых (но ненаблюдаемых) вселенных якобы объясняет наше, казалось бы, невероятное существование. Так как мультивселенная содержит бесконечное множество вселенных, законы физики и химии, по крайней мере, хоть каких-то вселенных должны иметь свойства, необходимые для жизни. Таким образом, предположительно объясняется наше существование, так как мы живем в одной из таких вселенных.

Вопиющая ошибочность подобного мнения помогает увидеть нечто другое: хоть законы физики и химии в нашей вселенной и делают возможным существование жизни, они не дают возможность жизни эволюционировать . Законы физики и химии просто не подходят для эволюции жизни.

Креационисты давно говорят о непреодолимых трудностях сценариев «химической эволюции». Эти трудности не исчезнут просто потому, что кто-кто заявит о существовании других (никем ненаблюдаемых) вселенных. Даже если бы законы физики и химии и сделали бы возможным эволюцию жизни в каждой из этих предполагаемых вселенных, эти законы не могли бы объяснить существование жизни в нашей вселенной. Атеисты должны были подумать об этом, но их аргумент лишь демонстрирует то, что они «осуетились в умствованиях своих» и «омрачилось несмысленное их сердце» (Римлянам 1:21-23) .

Несмотря на все красивые дипломы тех, кто проповедует идею «Вселенная из ничего», этот сценарий не имеет никакого основания и верующих в Библию христианин не должны пугать все эти «умствования» .

Вопрос о происхождении Вселенной со всеми ее известными и пока неведомыми свойствами испокон веков волнует человека. Но только в XX веке, после обнаружения космологического расширения, вопрос об эволюции Вселенной стал понемногу проясняться. Последние научные данные позволили сделать вывод, что наша Вселенная родилась 15 миллиардов лет назад в результате Большого взрыва. Но что именно взорвалось в тот момент и что, собственно, существовало до Большого взрыва, по-прежнему оставалось загадкой. Созданная в конце XX века инфляционная теория появления нашего мира позволила существенно продвинуться в разрешении этих вопросов, и общая картина первых мгновений Вселенной сегодня уже неплохо прорисована, хотя многие проблемы еще ждут своего часа.

Научный взгляд на сотворение мира

До начала прошлого века было всего два взгляда на происхождение нашей Вселенной. Ученые полагали, что она вечна и неизменна, а богословы говорили, что Мир сотворен и у него будет конец. Двадцатый век, разрушив очень многое из того, что было создано в предыдущие тысячелетия, сумел дать свои ответы на большинство вопросов, занимавших умы ученых прошлого. И быть может, одним из величайших достижений ушедшего века является прояснение вопроса о том, как возникла Вселенная, в которой мы живем, и какие существуют гипотезы по поводу ее будущего.

Простой астрономический факт — расширение нашей Вселенной — привел к полному пересмотру всех космогонических концепций и разработке новой физики — физики возникающих и исчезающих миров. Всего 70 лет назад Эдвин Хаббл обнаружил, что свет от более далеких галактик «краснее» света от более близких. Причем скорость разбегания оказалась пропорциональна расстоянию от Земли (закон расширения Хаббла). Обнаружить это удалось благодаря эффекту Доплера (зависимости длины волны света от скорости источника света). Поскольку более далекие галактики кажутся более «красными», то предположили, что и удаляются они с большей скоростью. Кстати, разбегаются не звезды и даже не отдельные галактики, а скопления галактик. Ближайшие от нас звезды и галактики связаны друг с другом гравитационными силами и образуют устойчивые структуры. Причем в каком направлении ни посмотри, скопления галактик разбегаются от Земли с одинаковой скоростью, и может показаться, что наша Галактика является центром Вселенной, однако это не так. Где бы ни находился наблюдатель, он будет везде видеть все ту же картину — все галактики разбегаются от него.

Но такой разлет вещества обязан иметь начало. Значит, все галактики должны были родиться в одной точке. Расчеты показывают, что произошло это примерно 15 млрд. лет назад. В момент такого взрыва температура была очень большой, и должно было появиться очень много квантов света. Конечно, со временем все остывает, а кванты разлетаются по возникающему пространству, но отзвуки Большого взрыва должны были сохраниться до наших дней.

Первое подтверждение факта взрыва пришло в 1964 году, когда американские радиоастрономы Р. Вильсон и А. Пензиас обнаружили реликтовое электромагнитное излучение с температурой около 3° по шкале Кельвина (–270°С). Именно это открытие, неожиданное для ученых, убедило их в том, что Большой взрыв действительно имел место и поначалу Вселенная была очень горячей.

Теория Большого взрыва позволила объяснить множество проблем, стоявших перед космологией. Но, к сожалению, а может, и к счастью, она же поставила и ряд новых вопросов. В частности: Что было до Большого взрыва? Почему наше пространство имеет нулевую кривизну и верна геометрия Евклида, которую изучают в школе? Если теория Большого взрыва справедлива, то отчего нынешние размеры нашей Вселенной гораздо больше предсказываемого теорией 1 сантиметра? Почему Вселенная на удивление однородна, в то время как при любом взрыве вещество разлетается в разные стороны крайне неравномерно? Что привело к начальному нагреву Вселенной до невообразимой температуры более 10 13 К?

Все это указывало на то, что теория Большого взрыва неполна. Долгое время казалось, что продвинуться далее уже невозможно. Только четверть века назад благодаря работам российских физиков Э. Глинера и А. Старобинского, а также американца А. Гуса было описано новое явление — сверх-быстрое инфляционное расширение Вселенной. Описание этого явления основывается на хорошо изученных разделах теоретической физики — общей теории относительности Эйнштейна и квантовой теории поля. Сегодня считается общепринятым, что именно такой период, получивший название «инфляция», предшествовал Большому взрыву.

Суть инфляции

При попытке дать представление о сущности начального периода жизни Вселенной приходится оперировать такими сверхмалыми и сверхбольшими числами, что наше воображение с трудом их воспринимает. Попробуем воспользоваться некоей аналогией, чтобы понять суть процесса инфляции.

Представим себе покрытый снегом горный склон, в который вкраплены разнородные мелкие предметы — камешки, ветки и кусочки льда. Кто-то, находящийся на вершине этого склона, сделал небольшой снежок и пустил его катиться с горы. Двигаясь вниз, снежок увеличивается в размерах, так как на него налипают новые слои снега со всеми включениями. И чем больше размер снежка, тем быстрее он будет увеличиваться. Очень скоро из маленького снежка он превратится в огромный ком. Если склон заканчивается пропастью, то он полетит в нее со все более увеличивающейся скоростью. Достигнув дна, ком ударится о дно пропасти и его составные части разлетятся во все стороны (кстати, часть кинетической энергии кома при этом пойдет на нагрев окружающей среды и разлетающегося снега). Теперь опишем основные положения теории, используя приведенную аналогию. Прежде всего физикам пришлось ввести гипотетическое поле, которое было названо «инфлатонным» (от слова «инфляция»). Это поле заполняло собой все пространство (в нашем случае — снег на склоне). Благодаря случайным колебаниям оно принимало разные значения в произвольных пространственных областях и в различные моменты времени. Ничего существенного не происходило, пока случайно не образовалась однородная конфигурация этого поля размером более 10 -33 см. Что же касается наблюдаемой нами Вселенной, то она в первые мгновения своей жизни, по-видимому, имела размер 10 -27 см. Предполагается, что на таких масштабах уже справедливы основные законы физики, известные нам сегодня, поэтому можно предсказать дальнейшее поведение системы. Оказывается, что сразу после этого пространственная область, занятая флуктуацией (от лат. fluctuatio — «колебание», случайные отклонения наблюдаемых физических величин от их средних значений), начинает очень быстро увеличиваться в размерах, а инфлатонное поле стремится занять положение, в котором его энергия минимальна (снежный ком покатился). Такое расширение продолжается всего 10 -35 секунды, но этого времени оказывается достаточно для того, чтобы диаметр Вселенной возрос как минимум в 10 27 раз и к окончанию инфляционного периода наша Вселенная приобрела размер примерно 1 см. Инфляция заканчивается, когда инфлатонное поле достигает минимума энергии — дальше падать некуда. При этом накопившаяся кинетическая энергия переходит в энергию рождающихся и разлетающихся частиц, иначе говоря, происходит нагрев Вселенной. Как раз этот момент и называется сегодня Большим взрывом.

Гора, о которой говорилось выше,может иметь очень сложный рельеф—несколько разных минимумов, долины внизу и всякие холмы и кочки. Снежные комья (будущие вселенные) непрерывно рождаются наверху горы за счет флуктуаций поля. Каждый ком может скатиться в любой из минимумов, породив при этом свою вселенную со специфическими параметрами. Причем вселенные могут существенно отличаться друг от друга. Свойства нашей Вселенной удивительнейшим образом приспособлены к тому, чтобы в ней возникла разумная жизнь. Другим вселенным, возможно, повезло меньше.

Еще раз хотелось бы подчеркнуть, что описанный процесс рождения Вселенной «практически из ничего» опирается на строго научные расчеты. Тем не менее у всякого человека, впервые знакомящегося с инфляционным механизмом, описанным выше, возникает немало вопросов.

В ответ на каверзные вопросы

Сегодня наша Вселенная состоит из большого числа звезд, не говоря уж о скрытой массе. И может показаться, что полная энергия и масса Вселенной огромны. И совершенно непонятно, как это все могло поместиться в первоначальном объеме 10 -99 см 3 . Однако во Вселенной существует не только материя, но и гравитационное поле. Известно, что энергия последнего отрицательна и, как оказалось, в нашей Вселенной энергия гравитации в точности компенсирует энергию, заключенную в частицах, планетах, звездах и прочих массивных объектах. Таким образом, закон сохранения энергии прекрасно выполняется, и суммарная энергия и масса нашей Вселенной практически равны нулю. Именно это обстоятельство отчасти объясняет, почему зарождающаяся Вселенная тут же после появления не превратилась в огромную черную дыру. Ее суммарная масса была совершенно микроскопична, и вначале просто нечему было коллапсировать. И только на более поздних стадиях развития появились локальные сгустки материи, способные создавать вблизи себя такие гравитационные поля, из которых не может вырваться даже свет. Соответственно, и частиц, из которых «сделаны» звезды, на начальной стадии развития просто не существовало. Элементарные частицы начали рождаться в тот период развития Вселенной, когда инфлатонное поле достигло минимума потенциальной энергии и начался Большой взрыв.

Область, занятая инфлатонным полем, разрасталась со скоростью, существенно большей скорости света, однако это нисколько не противоречит теории относительности Эйнштейна. Быстрее света не могут двигаться лишь материальные тела, а в данном случае двигалась воображаемая, нематериальная граница той области, где рождалась Вселенная (примером сверхсветового движения является перемещение светового пятна по поверхности Луны при быстром вращении освещающего ее лазера).

Причем окружающая среда совсем не сопротивлялась расширению области пространства, охваченного все более быстро разрастающимся инфлатонным полем, поскольку ее как бы не существует для возникающего Мира. Общая теория относительности утверждает, что физическая картина, которую видит наблюдатель, зависит от того, где он находится и как движется. Так вот, описанная выше картина справедлива для «наблюдателя», находящегося внутри этой области. Причем этот наблюдатель никогда не узнает, что происходит вне той области пространства, где он находится. Другой «наблюдатель», смотрящий на эту область снаружи, никакого расширения вовсе не обнаружит. В лучшем случае он увидит лишь небольшую искорку, которая по его часам исчезнет почти мгновенно. Даже самое изощренное воображение отказывается воспринимать такую картину. И все-таки она, по-видимому, верна. По крайней мере, так считают современные ученые, черпая уверенность в уже открытых законах Природы, правильность которых многократно проверена.

Надо сказать, что это инфлатонное поле и сейчас продолжает существовать и флуктуировать. Но только мы, внутренние наблюдатели, не в состоянии этого увидеть — ведь для нас маленькая область превратилась в колоссальную Вселенную, границ которой не может достигнуть даже свет.

Итак, сразу после окончания инфляции гипотетический внутренний наблюдатель увидел бы Вселенную, заполненную энергией в виде материальных частиц и фотонов. Если всю энергию, которую мог бы измерить внутренний наблюдатель, перевести в массу частиц, то мы получим примерно 10 80 кг. Расстояния между частицами быстро увеличиваются из-за всеобщего расширения. Гравитационные силы притяжения между частицами уменьшают их скорость, поэтому расширение Вселенной после завершения инфляционного периода постепенно замедляется.

Эти опасные античастицы

Сразу после рождения Вселенная продолжала расти и охлаждаться. При этом охлаждение происходило в том числе и благодаря банальному расширению пространства. Электромагнитное излучение характеризуется длиной волны, которую можно связать с температурой — чем больше средняя длина волны излучения, тем меньше температура. Но если пространство расширяется, то будут увеличиваться и расстояние между двумя «горбами» волны, и, следовательно, ее длина. Значит, в расширяющемся пространстве и температура излучения должна уменьшаться. Что и подтверждает крайне низкая температура современного реликтового излучения.

По мере расширения меняется и состав материи, наполняющей наш мир. Кварки объединяются в протоны и нейтроны, и Вселенная оказывается заполненной уже знакомыми нам элементарными частицами — протонами, нейтронами, электронами, нейтрино и фотонами. Присутствуют также и античастицы. Свойства частиц и античастиц практически идентичны. Казалось бы, и количество их должно быть одинаковым сразу после инфляции. Но тогда все частицы и античастицы взаимно уничтожились бы и строительного материала для галактик и нас самих не осталось бы. И здесь нам опять повезло. Природа позаботилась о том, чтобы частиц было немного больше, чем античастиц. Именно благодаря этой небольшой разнице и существует наш мир. А реликтовое излучение — это как раз последствие аннигиляции (то есть взаимоуничтожения) частиц и античастиц. Конечно, на начальном этапе энергия излучения была очень велика, но благодаря расширению пространства и как следствие — охлаждению излучения эта энергия быстро убывала. Сейчас энергия реликтового излучения примерно в десять тысяч раз (10 4 раз) меньше энергии, заключенной в массивных элементарных частицах.

Постепенно температура Вселенной упала до 10 10 К. К этому моменту возраст Вселенной составлял примерно 1 минуту. Только теперь протоны и нейтроны смогли объединяться в ядра дейтерия, трития и гелия. Это происходило благодаря ядерным реакциям, которые люди уже хорошо изучили, взрывая термоядерные бомбы и эксплуатируя атомные реакторы на Земле. Поэтому можно уверенно предсказывать, сколько и каких элементов может появиться в таком ядерном котле. Оказалось, что наблюдаемое сейчас обилие легких элементов хорошо согласуется с расчетами. Это означает, что известные нам физические законы одинаковы во всей наблюдаемой части Вселенной и были таковыми уже в первые секунды после появления нашего мира. Причем около 98% существующего в природе гелия образовалось именно в первые секунды после Большого взрыва.

Зарождение галактик

Сразу после рождения Вселенная проходила инфляционный период развития — все расстояния стремительно увеличивались (с точки зрения внутреннего наблюдателя). Однако плотность энергии в разных точках пространства не может быть в точности одинаковой — какие-то неоднородности всегда присутствуют. Предположим, что в какой-то области энергия немного больше, чем в соседних. Но раз все размеры быстро растут, то и размер этой области тоже должен расти. После окончания инфляционного периода эта разросшаяся область будет иметь чуть больше частиц, чем окружающее ее пространство, да и ее температура будет немного выше.

Поняв неизбежность возникновения таких областей, сторонники инфляционной теории обратились к экспериментаторам: «необходимо обнаружить флуктуации температуры…» — констатировали они. И в 1992 году это пожелание было выполнено. Практически одновременно российский спутник «Реликт-1» и американский «COBE» обнаружили требуемые флуктуации температуры реликтового излучения. Как уже говорилось, современная Вселенная имеет температуру 2,7 К, а найденные учеными отклонения температуры от среднего составляли примерно 0,00003 К. Неудивительно, что такие отклонения трудно было обнаружить раньше. Так инфляционная теория получила еще одно подтверждение.

С открытием колебаний температуры появилась еще одна захватывающая возможность — объяснить принцип формирования галактики. Ведь чтобы гравитационные силы сжимали материю, необходим исходный зародыш — область с повышенной плотностью. Если материя распределена в пространстве равномерно, то гравитация, подобно Буриданову ослу, не знает, в каком направлении ей действовать. Но как раз области с избытком энергии и порождает инфляция. Теперь гравитационные силы знают, на что воздействовать, а именно, на более плотные области, созданные во время инфляционного периода. Под действием гравитации эти изначально чуть-чуть более плотные области будут сжиматься и именно из них в будущем образуются звезды и галактики.

Счастливое настоящее

Современный нам момент эволюции Вселенной крайне удачно приспособлен для жизни, и длиться он будет еще много миллиардов лет. Звезды будут рождаться и умирать, галактики вращаться и сталкиваться, а скопления галактик — улетать все дальше друг от друга. Поэтому времени для самосовершенствования у человечества предостаточно. Правда, само понятие «сейчас» для такой огромной Вселенной, как наша, плохо определено. Так, например, наблюдаемая астрономами жизнь квазаров, удаленных от Земли на 10—14 млрд. световых лет, отстоит от нашего «сейчас» как раз на те самые 10—14 млрд. лет.

Сегодня ученые в состоянии объяснить большинство свойств нашей Вселенной, начиная с момента в 10 -42 секунды и до настоящего времени и даже далее. Они могут также проследить образование галактик и довольно уверенно предсказать будущее Вселенной. Тем не менее ряд «мелких» непонятностей еще остается. Это прежде всего — сущность скрытой массы (темной материи) и темной энергии. Кроме того, существует много моделей, объясняющих, почему наша Вселенная содержит гораздо больше частиц, чем античастиц, и хотелось бы определиться в конце концов с выбором одной правильной модели.

Как учит нас история науки, обычно именно «мелкие недоделки» и открывают дальнейшие пути развития, так что будущим поколениям ученых наверняка будет чем заняться. Кроме того, более глубокие вопросы тоже уже стоят на повестке дня физиков и математиков. Почему наше пространство трехмерно? Почему все константы в природе словно «подогнаны» так, чтобы возникла разумная жизнь? И что же такое гравитация? Ученые уже пытаются ответить и на эти вопросы.

Ну и конечно, оставим место для неожиданностей. Не надо забывать, что такие основополагающие открытия, как расширение Вселенной, наличие реликтовых фотонов и энергия вакуума, были сделаны, можно сказать, случайно и не ожидались ученым сообществом.

Энергия вакуума — происхождение и последствия

Что же ждет нашу Вселенную в дальнейшем? Еще несколько лет назад у теоретиков в этой связи имелись всего две возможности. Если плотность энергии во Вселенной мала, то она будет вечно расширяться и постепенно остывать. Если же плотность энергии больше некоторого критического значения, то стадия расширения сменится стадией сжатия. Вселенная будет сжиматься в размерах и нагреваться. Значит, одним из ключевых параметров, определяющим развитие Вселенной, является средняя плотность энергии. Так вот, астрофизические наблюдения, проводимые до 1998 года, говорили о том, что плотность энергии составляет примерно 30% от критического значения. А инфляционные модели предсказывали, что плотность энергии должна быть равна критической. Апологетов инфляционной теории это не очень смущало. Они отмахивались от оппонентов и говорили, что недостающие 70% «как-нибудь найдутся». И они действительно нашлись. Это большая победа теории инфляции, хотя найденная энергия оказалась такой странной, что вызвала больше вопросов, чем ответов.
Похоже, что искомая темная энергия — это энергия самого вакуума.

В представлении людей, не связанных с физикой, вакуум — «это когда ничего нет» — ни вещества, ни частиц, ни полей. Однако это не совсем так. Стандартное определение вакуума — это состояние, в котором отсутствуют частицы. Поскольку энергия заключена именно в частицах, то, как резонно полагали едва ли не все, включая и ученых, нет частиц — нет и энергии. Значит, энергия вакуума равна нулю. Вся эта благостная картина рухнула в 1998 году, когда астрономические наблюдения показали, что разбегание галактик немножко отклоняется от закона Хаббла. Вызванный этими наблюдениями у космологов шок длился недолго. Очень быстро стали публиковаться статьи с объяснением этого факта. Самым простым и естественным из них оказалась идея о существовании положительной энергии вакуума. Ведь вакуум, в конце концов, означает просто отсутствие частиц, но почему лишь частицы могут обладать энергией? Обнаруженная темная энергия оказалась распределенной в пространстве на удивление однородно. Подобную однородность трудно осуществить, ведь если бы эта энергия была заключена в каких-то неведомых частицах, гравитационное взаимодействие заставляло бы их собраться в грандиозные конгломераты, подобные галактикам. Поэтому энергия, спрятанная в пространстве-вакууме, очень изящно объясняет устроение нашего мира.

Однако возможны и другие, более экзотические, варианты мироустроения. Например, модель Квинтэссенции, элементы которой были предложены советским физиком А.Д. Долговым в 1985 году, предполагает, что мы все еще скатываемся с той самой горки, о которой говорилось в начале нашего повествования. Причем катимся мы уже очень долго, и конца этому процессу не видно. Необычное название, позаимствованное у Аристотеля, обозначает некую «новую сущность», призванную объяснить, почему мир устроен так, а не иначе.

Сегодня вариантов ответа на вопрос о будущем нашей Вселенной стало значительно больше. И они существенно зависят от того, какая теория, объясняющая скрытую энергию, является правильной. Предположим, что верно простейшее объяснение, при котором энергия вакуума положительна и не меняется со временем. В этом случае Вселенная уже никогда не сожмется и нам не грозит перегрев и Большой хлопок. Но за все хорошее приходится платить. В этом случае, как показывают расчеты, мы в будущем никогда не сможем достигнуть всех звезд. Более того, количество галактик, видимых с Земли, будет уменьшаться, и через 10—20 млрд. лет в распоряжении человечества останется всего несколько соседних галактик, включая нашу — Млечный Путь, а также соседнюю Андромеду. Человечество уже не сможет увеличиваться количественно, и тогда придется заняться своей качественной составляющей. В утешение можно сказать, что несколько сотен миллиардов звезд, которые будут нам доступны в столь отдаленном будущем, — это тоже немало.

Впрочем, понадобятся ли нам звезды? 20 миллиардов лет — большой срок. Ведь всего за несколько сот миллионов лет жизнь развилась от трилобитов до современного человека. Так что наши далекие потомки, возможно, будут по внешнему виду и возможностям отличаться от нас еще больше, чем мы от трилобитов. Что же сулит им еще более отдаленное будущее, по прогнозам современных ученых? Ясно, что звезды будут тем или иным способом «умирать», но будут образовываться и новые. Этот процесс тоже не бесконечен — примерно через 10 14 лет, по предположению ученых, во Вселенной останутся только слабосветящиеся объекты — белые и темные карлики, нейтронные звезды и черные дыры. Почти все они также погибнут через 10 37 лет, исчерпав все запасы своей энергии. К этому моменту останутся лишь черные дыры, поглотившие всю остальную материю. Что может разрушить черную дыру? Любые наши попытки сделать это лишь увеличивают ее массу. Но «ничто не вечно под Луной». Оказывается, черные дыры медленно, но излучают частицы. Значит, их масса постепенно уменьшается. Все черные дыры тоже должны исчезнуть примерно через 10 100 лет. После этого останутся лишь элементарные частицы, расстояние между которыми будет намного превосходить размеры современной Вселенной (примерно в 10 90 раз) — ведь все это время Вселенная расширялась! Ну и, конечно, останется энергия вакуума, которая будет абсолютно доминировать во Вселенной.

Кстати, свойства такого пространства впервые изучил В. де Ситтер еще в 1922 году. Так что нашим потомкам предстоит либо изменить физические законы Вселенной, либо перебраться в другие вселенные. Сейчас это кажется невероятным, но хочется верить в могущество человечества, как бы оно, человечество, ни выглядело в столь отдаленном будущем. Потому что времени у него предостаточно. Кстати, возможно, что уже и сейчас мы, сами того не ведая, создаем новые вселенные. Для того чтобы в очень маленькой области возникла новая вселенная, необходимо инициировать инфляционный процесс, который возможен только при высоких плотностях энергий. А ведь экспериментаторы уже давно создают такие области, сталкивая частицы на ускорителях… И хотя эти энергии еще очень далеки от инфляционных, вероятность создания вселенной на ускорителе уже не равна нулю. К сожалению, мы являемся тем самым «удаленным наблюдателем», для которого время жизни этой «рукотворной» вселенной слишком мало, и внедриться в нее и посмотреть, что там происходит, мы не можем...

Возможные сценарии развития нашего мира
1. Пульсирующая модель Вселенной, при которой вслед за периодом расширения наступает период сжатия и все заканчивается Большим хлопком
2. Вселенная со строго подогнанной средней плотностью, в точности равной критической. В этом случае наш мир Евклидов, и его расширение все время замедляется
3. Равномерно расширяющаяся по инерции Вселенная. Именно в пользу такой открытой модели мира до последнего времени свидетельствовали данные о подсчете средней плотности нашей Вселенной
4. Мир, расширяющийся со все нарастающей скоростью. Новейшие экспериментальные данные и теоретические изыскания говорят о том, что Вселенная разлетается все быстрее, и несмотря на евклидовость нашего мира, большая часть галактик в будущем будет нам недоступна. И виновата в столь странном устроении мира та самая темная энергия, которую сегодня связали с некоей внутренней энергией вакуума, заполняющего все пространство

Сергей Рубин, доктор физико-математических наук

Я.Б. Зельдович, ВОЗМОЖНО ЛИ ОБРАЗОВАНИЕ ВСЕЛЕННОЙ ИЗ НИЧЕГО?

Якова Борисовича Зельдовича нет нужды представлять читателям "Природы". Автор фундаментальных работ в области физической химии, теор ии элементарных частиц, ядерной физики, астрофизики и космологии, он, кроме того, был еще и блестящим популяризатором, ярко, живо и образно рассказывающим в своих популярных книгах и статьях о наиболее "горячих" проблемах современной науки. В последние годы особое внимание он уделял релятиви стской астрофизике и космологии. Именно в это время им написаны для нашего журнала статьи "Черные и белые дыры" (совместно с А.А. Старобинским и И.Д. Новиковым; 1976, № 1); "Современная космология" (1983, № 9); "Почему расширяется Вселенная!" (1984, № 2). Продолжает эту тематику и последняя его статья "Возможно ли образование Вселенной "из ничего?". Послесловие к ней написал академик А.Д. Сахаров.

ВСЕЛЕННАЯ

Размеры окружающей нас Вселенной и, даже более скромно и более точно, размеры исследованной нами части Вселенной, далеко превышают человеческое воображение.

Древним людям трудно было представить себе, что Земля - это шар. Сегодня, когда самолеты без посадки пролетают многие тысячи километров, в век космических полетов, радио и телевидения (и в век межконтинентальных ракет с ядерным зарядом, к сожалению) Земля представляется маленьким хрупким шариком. Не удивляет нас и расстояние до Солнца - 150 млн км, так называемая астрономическая единица. Однако расстояние от Солнечной системы до центра Галактики (около 10 кпк = 3 10 22 см) в два миллиарда раз больше расстояния от Земли до Солнца. В свою очередь, расстояние, на котором еще удается наблюдать яркие галактики, порядка нескольких тысяч мегапарсек - еще почти в миллион раз больше расстояния от Солнца до центра нашей Галактики. Если это наибольшее расстояние уменьшить в 10 15 раз, т. е. примерно до 1 а. е., то Солнечная система уменьшится до масштаба пылинки размером меньше миллиметра...

Так же, как и линейный масштаб, т. е. размер Вселенной, невообразимо велико и количество вещества, с которым мы имеем дело. Масса Земли около 6 10 27 г. Масса Солнца около 2 10 33 г, т. е. в 300 тыс. раз больше. Галактика имеет массу порядка 2 10 11 масс Солнца. В наблюдаемой нами области Вселенной суммарная масса очень грубо, по порядку величины, оценивается как 10 55 г, т. е. порядка 10 22 масс Солнца.

Человек, живо и наглядно ощущающий всю огромность пространства и массы, открывающихся современным телескопам, не может остаться равнодушным. Соответствующие величины потрясают воображение настолько, что ощущаешь головокружение. Первым, естественным следствием этого потрясения является отвращение к теор ии расширяющейся Вселенной. Неужели все великолепие и громадность Вселенной когда-то умещалось в шаре размером в несколько сантиметров? И еще более диким кажется вопрос: неужели все сущее, все наблюдаемое могло образоваться буквально "из ничего"?

В предлагаемой статье я сознательно ограничусь узкой постановкой вопроса. Обсудим только, не противоречит ли это предположение - образование Вселенной "из ничего"- каким-либо твердо установленным общим законам природы. Иногда ведь самый общий "закон сохранения" так и формулируют: "из ничего не может получиться ничего". Такую формулировку я с порога отвергаю - она наивна и ненаучна. Есть закон сохранения энерги и. Есть, например, еще закон сохранения электрического заряда. Мы проверим выполнение этих четко физически сформулированных законов, а также обсудим существование и выполнение других подобных, более или менее твердо установленных физических законов.

Чтобы не превращать эту статью в полный курс космологии, мы не будем исследовать подробно строение Вселенной, закон ее расширения и полный сценарий ее эволюции.

Можно привести такую житейскую аналогию: представьте себе, что к Вам пришел изобретатель с каким-то чудесным двигателем или генератором электрического тока. Разумный шаг эксперта состоит в том, что выясняется вопрос, не принесли ли Вам проект "вечного двигателя" (реrpetuum mobile). Давно уже действует обычай с порога отвергать без детального рассмотрения такие проекты. "Perpetuum mobile" нарушает закон сохранения энерги и, значит, где-то в проекте содержится ошибка. Выяснение конкретной ошибки уже не интересно никому, кроме самого изобретателя.

Подойдем с такой же меркой к вопросу о возникновении Вселенной "из ничего". Противоречит ли это предположение законам физики? Возможно ли это, можно ли будет (если не сейчас, то в будущем) создать непротиворечивую, правильную теор ию этого, поистине самого грандиозного явления?

СОХРАНЕНИЕ ЗАРЯДОВ

Начнем с закона сохранения электрического заряда. Ответ лежит на поверхности, он очевиден: нет никакого запрета на рождение электронейтральной Вселенной, т. е. Вселенной, содержащей равное число положительных и отрицательных зарядов. Есть все основания думать, что именно такова наша Вселенная. В противном случае возникли бы сильные электрические поля, которые нарушили бы ее (Вселенной) однородность и изотропию. Итак, Вселенная, скорее всего, строго нейтральна, а значит, вполне могла родиться "из ничего" (без противоречия закону сохранения электрического заряда).

Обратимся к закону сохранения барионного заряда. Напомним, что во всех известных процессах, происходящих в лаборатории, суммарное число протонов и нейтронов не меняется. В частности, радиоактивность ядер проявляется либо как перегруппировка протонов и нейтронов, либо как превращение протонов в нейтроны и обратно.

Так, при испускании g -лучей (т. е. фотонов) перегруппировка происходит при переходе данного ядра из энергетически возбужденного состояния в основное или в состояние с меньшей энерги ей возбуждения. При a -распаде ядра часть протонов и нейтронов материнского ядра остаются в дочернем ядре, а другие вылетают в виде ядра гелия (два протона и два нейтрона). В b -распаде быстрый электрон (b -частица) и нейтрино рождаются при превращении нейтрона в протон. Есть и обратный процесс испускания позитрона (p = N+e + + n e ) при превращении протона в нейтрон, но такой процесс идет лишь в том случае, если протон находится в ядре и после превращения нейтрон занимает более низкое энергетическое состояние.

Свободный протон легче свободного нейтрона, поэтому свободный нейтрон b -радиоактивен; свободный протон стабилен, нестабильным он бывает только внутри некоторых ядер.

Итак, к концу 40-х годов закон сохранения барионов формулировался просто: сумма числа протонов и нейтронов не меняется. Затем последовало открытие так называемых странных частиц. Сперва они были открыты в космических лучах, а позже очень подробно исследованы в лаборатории на ускорителях. Они нестабильны, образуются из протонов или нейтронов и при распаде снова дают протоны или нейтроны.

Так, например: p + N = D + K+ + N (D - странный гиперон, К - странный мезон). Странными эти частицы были названы потому, что при сравнительно большой вероятности образования за очень короткое время столкновения они имеют довольно большое время жизни, 10 -8 -10 -10 с.

В начале 50-х годов были открыты так называемые барионные резонансы. Рассеяние л-мезонов на протонах и нейтронах зависит от энерги и в соответствии с тем, что эти две частицы сперва сливаются в одну, которая потом снова распадается. Так, например:

После этих открытий закон сохранения барионов усложнился: сохраняется сумма

B = p + N + D + S + ... + D ++ + D + + D 0 + D - + ... = const

или, иными словами, сохраняется общее количество барионов (Здесь D, S , ... - странные барионы; многоточие заменяет перечисление всех странных барионов - от D ++ до D - , самых легких барионных резонансов, а повторное многоточие заменяет перечисление всех резонансов.).

В 1955 г. были, наконец, экспериментально открыты антипротоны. Теор етически существование античастиц - антибарионов - было предсказано вскоре после предсказания и обнаружения антиэлектронов, т. е. позитронов. Однако энерги я, нужная для рождения пары протон-антипротон в 2000 раз больше, чем для пары электрон-позитрон, поэтому между двумя открытиями возник интервал в четверть века. В это время у некоторых ученых нервы не выдерживали и высказывались сомнения относительно существования антибарионов; теперь для этих сомнений нет места!

Итак, в окончательной форме закона сохранения барионного заряда: сохраняется разность числа барионов и антибарионов.

За последние 20 лет показано, что барионы состоят из 3 кварков. Антибарионы состоят из антикварков. Соответственно, барионный заряд и закон его сохранения на языке кварков формулируется так:

3В = S q i - S q" k = const,

где S q i - число кварков i-ro сорта; S q" k - число антикварков k-ro сорта; сумма берется по всем сортам.

Закон сохранения барионного заряда необычайно важен как для Вселенной в целом, так и для непосредственно окружающего нас современного мира. С учетом этого закона данное количество барионов можно использовать для производства энерги и, только переводя их в наинизшее энергетическое состояние, а именно в ядра железа *. Отсюда следует, что энерги ю можно получить, либо превращая уран в ядра середины таблицы Менделеева, либо превращая водород в железо.

* Имеется в виду, что в ядрах железа энерги я связи нуклонов максимальна. (Прим. ред. )

Первый процесс успешно осуществляется на атомных электростанциях. Второй происходит в звездах. В несколько измененной форме (начиная не с начала и не доходя до конца) второй процесс реализуется при слиянии ядер дейтерия и трития с образованием 4 Не и нейтрона и в будущем станет источником термоядерной энерги и на Земле. Но общим для обоих процессов является использование малой доли - менее 1 % - полного запаса энерги и горючего.

Полный запас энерги и, следуя закону эквивалентности Эйнштейна Е = Мс 2 , равен 9 10 13 Дж на 1 г вещества.

Отмена закона сохранения барионного заряда означала бы принципиальную возможность прямого распада протона р = е - + энерги я или р = е + + энерги я.

Итак, протон - свободный или связанный в ядре - мог бы быть нестабильным и распадаться с выделением огромной энерги и, если бы не было закона сохранения барионного заряда. Огромное современное значение этого закона сохранения очевидно.

То же относится и к рождению Вселенной “из ничего”.

Барионный заряд “ничего”, очевидно, равен нулю. Если барионный заряд сохраняется, то вся Вселенная, родившаяся “из ничего”, должна иметь нулевой барионный заряд, т. е. равное количество вещества и антивещества. Так и думали те, кто первыми в начале 60-х годов высказывали идею рождения Вселенной. Они полагали, что рождается Вселенная с равным количеством барионов и антибарионов, т. е. с равным количеством вещества и антивещества. Но если вещество и антивещество в равном количестве равномерно размещены в пространстве (т. е. их плотность одинакова в каждой точке), то при охлаждении они полностью аннигилируют. К тому же нет механизма, который мог бы их разделить; тяготение стягивает вещество и антивещество одинаково.

Рождение Вселенной такой, какой мы ее наблюдаем, возможно лишь в том случае, если закон сохранения барионного заряда может быть нарушен *. Не повторяя увлекательную, но сложную трактовку вопроса, резюмируем посвященные ему статьи.

* О возможном нарушении этого закона и экспериментальном поиске нарушения подробнее см: Зельдович Я. Б., Долгов А.Д. Вещество и антивещество во Вселенной // Природа. 1982. № 8. С. 33-45; Березинский В. С. Объединенные калибровочные теор ии и нестабильный протон // Природа. 1984. № 11. С. 24-38.

Электрический заряд обязан сохраняться постольку, поскольку справедливы уравнения Максвелла, не допускающие несохранения этого заряда. Иными словами, связь электрического заряда с электромагнитным полем автоматически приводит к сохранению электрического заряда.

Однако не существует поля, которое играло бы подобную роль в случае барионного заряда. Убежденность в сохранении барионного заряда основывалась только на эксперименте.

Каждый эксперимент по необходимости имеет ограниченную точность. Абсолютизируя результаты опыта, физики до 60-х годов молчаливо предполагали, что в мире элементарных частиц не должно быть слишком больших количественных различий.

Когда нейтрон распадается, превращаясь в протон (b -распад), среднее время распада около 1000 с. Казалось, что природа (с маленькой буквы, т. е. не тот уважаемый журнал, где будет помещена данная статья) должна выбирать между двумя крайностями: либо сравнительно быстрый распад, по аналогии с (b -распадом нейтрона, либо совсем никакого распада, как в случае абсолютно стабильного электрона. Третий - промежуточный - случай медленного распада до 60-х годов казался неэстетичным и крайне маловероятным.

Вкусы изменились, увеличилась храбрость теор етиков, выступающих в настоящее время под лозунгом: все, что не запрещено, существует, и в частности протон может распадаться.

Однако положение и сейчас остается драматическим: усилиями экспериментаторов нижняя граница времени жизни протона доведена до 10 32 лет, но распад все еще не обнаружен. Экспериментальная ситуация подробно описана В. С. Березинским *.

* См. предыдущую сноску.

В его статье не хватает только одного соображения: сегодня убежденность в несохранении барионного заряда основывается в значительной степени на том, что Вселенная содержит вещество и не содержит антивещества. При этом приходится привлекать еще различие свойств частиц и античастиц, а также нарушение термодинамического равновесия, возникающее вследствие расширения Вселенной. (Впервые это отмечено в работе А. Д. Сахарова в 1967 г. *).

* Сахаров А. Д. Нарушение СР-инвариантности, С-асимметрия и барионная асимметрия Вселенной // Письма в ЖЭТФ. 1967. Т. 5. С. 32-35. (Прим. ред. )

Из оценок в таких теор иях с несохранением барионного заряда получается, что число протонов и нейтронов в миллиард раз меньше числа фотонов или нейтрино. Главное же состоит в том, что сейчас ясно понято различие между электрическим и барионным зарядами. Кроме того, физическая общественность в целом (или, во всяком случае, физики-теор етики) избавились от страха перед большими числами. Если время жизни протона 10 40 лет (что, по-видимому, на очень многие годы останется недоступным для проверки в прямых экспериментах), то понадобится предположение о процессах в горячей Вселенной, идущих при температуре порядка 10 17 ГэВ (10 30 К), столь же недоступной для ускорителей *. Пока не видно, какие косвенные опыты могли бы дать ответ.

* Время жизни протона t р обратно пропорционально четвертой степени массы тяжелого бозона М x 4 в теор ии "Великого объединения". Поэтому если при М x ~ 10 15 ГэВ t р ~10 31-37 лет, то при М x ~ 10 17 ГэВ t р ~10 39-40 лет. (Прим. ред. )

Возникла ситуация, которую высоко ценят астрономы: именно астрономические данные указывают путь физикам, как это было со скоростью света и законом тяготения Ньютона. Существование Вселенной, заполненной веществом, является пока единственным, но очень веским доказательством несохранения барионного заряда!

СОХРАНЕНИЕ ЭНЕРГИ И

Обратимся к закону сохранения энерги и для Вселенной как целого. Напомним, что энерги я покоящейся частицы эквивалентна ее массе, Е = Мс 2 . Сохранение энерги и покоя - это есть и сохранение массы.

Немного истории: Дж. Дальтон и У. Праут обратили внимание на то, что многие атомные веса выражаются целыми числами. Отсюда, естественно, последовала гипотез а, что все ядра сложены из одинаковых единичных кирпичиков. Однако тот факт, что заряд ядра не пропорционален его весу, привел к выводу, что есть две модификации таких кирпичиков - протоны и нейтроны, отличающиеся зарядом при почти одинаковой массе. Здесь мы несколько отклонились от исторической последовательности, опустив мрачный период, когда ядра строили из протонов и электронов. Грубо говоря, электроны (в силу соотношения неопределенности) не влезают, не помещаются в ядре. Первые правильные идеи о существовании нейтронов высказывались в-виде гипотез ы еще в начале 20-х годов, научное доказательство существования нейтронов пришлось на 30-е годы, а в 1945 г. были Хиросима и Нагасаки. В очень кратком изложении мы опустили открытие изотопов и весьма точное определение атомных весов отдельных изотопов.

В итоге, с одной стороны, подтвердилась теор ия единообразного строения ядер из протонов и нейтронов, с другой стороны, первый аргумент в ее пользу - целые атомные веса изотопов - оказался неточным. Такова диалектика развития науки. Но теперь неточность целых весов изотопов приобрела другой, тоже глубокий смысл .

Из того факта, что вес одного атома гелия на 0,6 % меньше веса четырех атомов водорода, астрономы сделали вывод, что водород превращается в гелий в недрах звезд и при этом 0,6 % массы (0,006 с 2 = 5,4 10 18 эрг/г) превращается в энерги ю излучения звезд. Особенно стоит подчеркнуть, что вывод этот был сделан задолго до того, как развитие ядерной физики показало конкретные пути такого превращения".

Этот экскурс в ядерную физику нужен нам был для того, чтобы сказать, что и энерги я тяготения, выделяясь в том или ином виде, также приводит к уменьшению массы целого по сравнению с массой совокупности частей. Масса нейтронной звезды на 10-15 % меньше суммы масс составляющих ее частиц. Именно эта разность масс является источником энерги и взрыва сверхновой, который сопровождает образование нейтронной звезды, даже несмотря на то, что очень большую долю этой энерги и уносят нейтрино.

Наверное, не случайно В. Гейзенберг - один из крупнейших физиков нашего века - озаглавил свою автобиографию "Часть и Целое" (Der Teil und das Ganze). Появление новых свойств у целого при сложении частей - один из глубочайших вопросов науки,

Еще раньше в замечательной книге Л. Д. Ландау и Е. М. Лифшица "Теор ия поля" проводилось точное и строго формальное доказательство того, что масса (а значит, и энерги я) замкнутого мира тождественно равна нулю. Предыдущие рассуждения позволяют понять это утверждение наглядно. Отрицательная гравитационная энерги я взаимодействия частей точно компенсирует положительную энерги ю суммы всех частей, всего вещества. Общая теор ия относительности, связывающая тяготение и геометрию, доказывает, что точная компенсация происходит тогда и именно тогда, когда становится замкнутым пространство, в котором находится вещество.

Итак, общая теор ия относительности устраняет последнее препятствие на пути рождения Вселенной "из ничего". Энерги я "ничего" равна нулю. Но и энерги я замкнутой Вселенной равна нулю. Значит, закон сохранения энерги и не противоречит образованию "из ничего" замкнутой Вселенной (но именно геометрически замкнутой, а не открытой бесконечной Вселенной).

АСТРОФИЗИЧЕСКИЕ ВЫВОДЫ. НУЖНА ЛИ ПУЛЬСИРУЮЩАЯ ВСЕЛЕННАЯ?

Астрофизические следствия замкнутости Вселенной подробно рассмотрены в моей предыдущей статье в "Природе" *.

* Зельдович Я. Б. Современная космология // Природа. 1983. № 9. С. 11-24. (Прим. ред. )

Первое следствие состоит в том, что общая плотность всех видов материи должна быть достаточно велика; таким образом, появляется дополнительный аргумент в пользу каких-то форм "скрытой массы", поскольку плотность обычных хорошо известных форм массы (протонов, ядер, электронов, фотонов) недостаточна.

Второй вывод заключается в том, что наблюдаемое в настоящее время расширение Вселенной должно в будущем смениться сжатием - рано или поздно, притом, вероятно, скорее очень поздно, даже по сравнению с сегодняшним возрастом Вселенной *.

* Отметим, впрочем, вариант, указанный в моей статье в "Природе" (1984. № 2): возможно, космологическая постоянная не равна нулю и имеет такой знак, что заменяет часть массы. Тогда расширение продолжается неограниченно, мир не "замкнут" по оси времени (есть рождение, нет общего коллапса), несмотря на его пространственную замкнутость.

Зависимость радиуса замкнутой Вселенной а от времени] " теор ии циклической эволюции.
В точке А (радиус минимален) происходит переход от сжатия к расширению,
в точке В (радиус максимален) расширение сменяется сжатием.

Идея замкнутого мира, сперва расширяющегося, а потом сжимающегося, наталкивала многих ученых на гипотез у пульсирующей вечной Вселенной. Дело оставалось за малым - в переносном и буквальном смысл е слова: понятно, как происходит остановка и смена расширения сжатием при большом (максимальном) радиусе Вселенной, осталось понять, как происходит переход от сжатия к расширению при малом (минимальном) радиусе. Популярность идеи вечной (в прошлом!) Вселенной возросла, когда было осознано, что при учете поляризации вакуума кривизной пространства (сильным гравитационным полем) или за счет гравитационного поля, источником которого является скалярное поле с неравной нулю массой, действительно существуют формально правильные строгие решения * типа

с минимальным радиусом 1/Н 0 порядка 10 -28 см. Эти решения формально существуют и в классической теор ии. Какие аргументы можно выдвинуть против этих решений?

* Решения такого типа называются инфляционными. (Прим. ред. )

Зависимость радиуса Вселенной а от времени t в теор ии циклической эволюции при учете роста энтропии. Современное состояние Вселенной описывается точкой В, t 0 - необходимое "начало".

Еще в 30-е годы был выдвинут серьезный термодинамический аргумент против вечной циклически повторяющейся Вселенной. В ходе каждого цикла энтропия растет *. Это приводит к тому, что амплитуда каждого следующего цикла больше амплитуды предыдущего. Обращая этот аргумент в прошлое, можно сделать вывод, что конечно общее число циклов, начиная с первого цикла с нулевой энтропией. Но в таком случае цель не достигнута - циклически эволюционирующая Вселенная все равно оказывается существующей конечное время, т. е. нуждается в "начале".

* Существует точка зрения, согласно которой при смене расширения сжатием одновременно рост энтропии сменяется ее уменьшением. При этом еще упоминают мист ическое изменение направления "стрелы времени". Влияние общего медленного расширения или сжатия на конкретные процессы, происходящие с частицами или в звездах, представляется совершенно не физическим, никак не обоснованным.

В самое последнее время вместе с В. А. Белинским, Л. П. Грищуком и И. М. Халатниковым мы анализировали расширение и сжатие Вселенной, заполненной массивным когерентным скалярным полем *.

* Белинский В. А., Грищук Л. П., Халатников И. М., Зельдович Я. Б. // ЖЭТФ. 1985. Т. 89. С. 346-355. (Прим. ред. )

Аналогичные расчеты проводились и ранее, но, может быть, с менее четкими выводами. Не вдаваясь в подробности, привожу результаты. В зависимости от того, является ли скалярное поле j почти статичным (mj 2 >>hj " 2 ) или быстроменяющимся и почти безмассовым (mj 2 <j " 2 ), меняется соотношение между давлением и плотностью энерги и (здесь h = 10 -14 Дж с - постоянная Планка, штрих - производная j по времени). В первом случае р = -e , имеет место гравитационное отталкивание, во втором случае, когда давление максимально велико, р = +e - гравитационное притяжение.

В принципе, и при сжатии, и при расширении могут иметь место оба случая. Однако при сжатии устойчивым является второй режим, р = +e - давление поля сопротивляется сжатию. В таком случае классическое решение приводит в сингулярность, радиус Вселенной обращается в нуль, кривая сжатия утыкается в ось абсцисс. Решения с плавным переходом от сжатия к расширению оказываются исключительными, маловероятными. Но дело даже не в детальном исследовании кривых. Более важен анализ тех предположений, которые приходится делать в ходе решения задачи.

Сингулярное сжатие Вселенной при положительном давлении р = + e .
Закон сжатия одинаков для замкнутого, плоского и открытого мира: a ~ (t 0 -t) 1/3
(следует иметь в виду, что t <= t 0 ).

Мы рассматриваем строго однородное скалярное поле и строго однородную и изотропную Вселенную. Однородность означает одинаковость, эквивалентность всех пространственных точек в один и тот же фиксированный момент времени. Изотропия означает эквивалентность всех пространственных направлений.

В задаче о расширении эти предположения разумны: в ходе расширения быстрее всего расширяется область, в которой скалярное поле максимально. При этом классическое скалярное поле становится практически постоянным, а все другие поля (в частности, нарушающее изотропию электромагнитное поле) быстро убывают.

* Подробнее об инфляционной стадии и работах А. Д. Линде см., напр.: Новиков И. Д. Как взорвалась Вселенная // Природа, 1988. № 1. С. 82-91. (Прим. ред.)

Однако в ходе сжатия можно ожидать огромной неустойчивости, нарушения однородности и изотропии. Поэтому вариант прохождения Вселенной некоего минимального радиуса становится еще менее вероятным при учете возмущений. По существу аргумент этот близок к соображениям о возрастании энтропии. Итак, если это и не теор ема, то все же мы имеем достаточно побудительных причин для размышлени й о спонтанном рождении Вселенной, устраняющем идею циклической Вселенной.

О СПОНТАННОМ РОЖДЕНИИ

Знаменитый до революции юморист А. Аверченко начинал свою "Всемирную историю" словами: "История мидян темна и непонятна. Ученые делят ее, тем не менее, на три периода: первый, о котором ровно ничего не известно. Второй, который последовал за первым. И, наконец, третий период, о котором известно столько же, сколько и о первых двух".

Боюсь, что последняя часть моей статьи о ранней истории Вселенной будет похожа на древнюю историю человечества в изложении А. Аверченко. До сих пор мы выясняли только принципиальную возможность рождения Вселенной. Что можно сказать о конкретном механизме этого явления? Придется ограничиться постановкой вопросов.

Прежде всего, словом "ничего", "из ничего" можно придавать разные трактовки. Можно представить себе пустое плоское пространство Минковского - само по себе такое решение уравнений ОТО существует и оно вечное. Рождение можно было бы представить себе наподобие серии картинок (см. рис).

Рождение замкнутой Вселенной (шарик на последней части IV рис.)
из плоского мира Минковского (М на стадии I).
На промежуточных стадиях, вдали от флуктуации,
приводящей к рождению (отщеплению) шарика, метрика остается плоской ("минковской").

Надо только помнить, что в них речь идет об одномерной аналогии. Изображать рождение трехмерного замкнутого пространства (из трехмерного сечения) пространства Минковского я не умею. Время t есть параметр, отличающий одну часть картинки (I-IV) от другой. После отделения замкнутой области остающееся пространство снова плоское. Но ведь оно плоское только в классическом пределе. В действительности в квантовой теор ии метрика пространства тоже флуктуирует подобно тому, как осциллятор имеет определенную среднюю кинетическую и такую же потенциал ьную энерги ю, не равную нулю в нижнем энергетическом состоянии.

Таким образом, на приведенном рисунке речь идет о флуктуации - но о флуктуации настолько большой, что меняется сама топология, пространство раздваивается. Рассчитывать такие флуктуации сегодня мы не умеем. Напомню, что сами свойства вакуума (его среднюю энерги ю, т. е. космологическую постоянную) мы находим только из опыта.

Второй популярный вариант состоит в рассмотрении только одного замкнутого мира (без подстилающего или рождающего его пространства Минковского). Тогда до "начала" не было буквально ничего, никакой метрики, в частности не было и времени.

Спонтанное рождение мира "из ничего". До момента t = 0 метрика (и, в частности, время) не существовала.

Классические уравнения движения не имеют решения нужного типа. Значит, следует искать квантовомеханические решения. Задача подобна задаче об a -распаде ядра урана или радия. По классической ньютоновской механике a -частица не может пройти весь путь от ядра до бесконечности. Квантовомеханическое решение для a -частицы описывает обе области: "подбарьерную", в которой кинетическая энерги я отрицательна (т. е. классическое движение невозможно), и далекую область, в которой существуют оба решения - и классическое, и квантовомеханическое, и они мало отличаются друг от друга.

Подобно теор ии a -распада строится и квантовомеханическая теор ия рождения Вселенной. Естественно, задачу сейчас решают лишь в самом грубом приближении, рассматривая всего две величины - радиус замкнутой Вселенной а(t) и скалярное поле j. В квантовой теор ии вводятся соответствующие импульсы Р a и Р j ; строится волновая функция Y (а, j ). Импульс Р a = М eff = f(a)a" пропорционален скорости расширения, и в классическом пределе можно найти а" = d a/d t, а значит, и время

Заметим также, что квантовая теор ия даже в сегодняшнем неразвитом ее состоянии дает аргумент в пользу замкнутой Вселенной (в отличие от бесконечной плоской или открытой Вселенной). Только для замкнутой Вселенной можно определить некое небесконечное значение эффективной массы М eff . Какой бы формулировкой квантовой механики мы ни пользовались (волновая функция, или "интегрирование по путям", или любой иной), вероятность спонтанного рождения бесконечной Вселенной тождественно равна нулю *.

* А. А. Старобинский и я рассматривали плоскую Вселенную, конечную, как тор, за счет отождествления противоположных стенок куба. Однако при этом теряется точная изотропия пространства: направления по диагоналям куба не эквивалентны направлениям, перпендикулярным сторонам или ребром. Однако формального опровержения такой гипотез ы еще нет.

В целом, однако, интерпретация полученных результатов остается не вполне ясной. Квантовомеханические формулы указывают на возможность рождения Вселенной. Представляют интерес результаты в части сравнения вероятности рождения Вселенной с тем или иным начальным значением скалярного поля (р. По-видимому, более вероятны большие значения (р, обеспечивающие достаточно большую инфляцию"^ на классической фазе. Однако нет интерпретации абсолютного значения волновой функции и вероятности. Есть и более глубокие основания для скепсиса по отношению к конкретным теор иям рождения Вселенной "из ничего".

Дело в том, что развитие фундаментальной физики еще явно не закончено! Более того, именно сейчас оживают все более геометризованные теор ии элементарных частиц. С одной стороны, это. теор ии, объединяющие бозоны и фермионы, объединяющие внутренние переменные частиц и полей с координатами и преобразованиями Лоренца. В перспективе эти теор ии должны дать и прямое доказательство существования скалярных полей, а также определить их свойства. Рано или поздно возникнет и теор ия масс частиц, и физики скажут нам, что такое скрытая масса, которую открыли астрономы. Еще более близкое отношение к вопросу о рождении Вселенной имеют гипотез ы о пространстве-времени высокой размерности. Еще в конце 20-х годов была сформулирована идея, согласно которой есть одна "лишняя" координата Х 4 , свернутая в кольцо длиной l=2p R, где R - радиус кольца *. Схематически ситуация изображена на рисунке. Три пространственных координаты X 1 , Х 2 , Х 3 заменены одной Х вдоль трубки.

* Такое замыкание, ограничивающее интервал изменения координаты Х 4 малой величиной I (Х 4 + I = Х 4 ), математики называют компактификацией. Мы назовем эту координату Х 4 , имея в виду, что время обычно обозначают Х 0 , а пространственные координаты - X 1 , Х 2 , Х 3 ), В итоге пространство - время оказывается пятимерным. Такую теор ию предложили физики Т. Калуца и О. Клейн еще в 20-х годах.

В квантовой теор ии движение вдоль Х 4 или локализация частицы пр координате Х 4 требуют гигантских энерги и. Поэтому во всех опытах вплоть до самых больших энерги й, 10 17 или даже 10 19 ГэВ (сравните с 10 3 ГэВ на ускорителях 80-х годов), нет движения по особой координате Х 4 (или от Х 4 до Х 9 ). Теор етики говорят, что в низкоэнергетическом пределе пространство-время остается эффективно четырехмерным. Если к тому же ограничиваться размерами, малыми по сравнению с астрономическими, то пространство и время описываются старой доброй метрикой Минковского.

Схематичное изображение пространства Капуцы- Клейна. Показано сечение одного заданного значения времени X 0 =const, три пространственные координаты X 1 , Х 2 , Х 3 заменены одной - X. В итоге получилась двумерная поверхность трубки с координатами X, X 4 на поверхности.

Увеличение числа компактифицированных ("свернутых") переменных с 1 до 6 или 7 (переход к 10-мерному исходному пространству-времени) дает возможность ввести не только электромагнитное поле, но и те поля (W ± , Z°), которые описывают слабое взаимодействие, и поля (глюонные), которые описывают сильное взаимодействие. К тому же, теор ия суперсимметрии, объединяющая бозонные поля (такие, в частности, как электромагнитное) и фермионные поля (такие, как электрон-позитронное), тоже "геометрична", она вводит новые - удивительные, но геометрические переменные. Мечта А. Эйнштейна о геометризации всей физики сегодня представляется гораздо более реальной, чем это казалось всего 5 или 10 лет назад.

Но почему я пишу обо всем этом в космологической статье?

Первая (не самая главная) причина состоит в том, что мы, наконец, присутствуем при рождении теор ий, для которых скалярные поля являются необходимым следствием. О значении скалярных полей уже говорилось - без них не было бы инфляционной Вселенной. Поляризация вакуума как источник энерги и и отрицательного давления для инфляции (раздувания) Вселенной, есть тоже разновидность скалярного поля.

Однако более существен и более специфичен второй аспект влияния теор ий с "лишними" измерениями на космологию. В момент рождения в замкнутом мире пространственные переменные X 1 , Х 2 , Х 3 меняются в очень узких пределах порядка 0 < 2p а(t), где а(t) стремтся к 0 при t, стремящемся к 0. Естественно предположить в таком случае, что в действительности Вселенная рождается симметричной по всем пространственным переменным (размерность Д = 5 или выше). Разделение геометрических переменных на "внутренние", т. е. компактифицированные, Д = 4 переменные и на обычные геометрические три переменные и время происходит лишь позже. Это разделение представляет собой типичное спонтанное (самопроизвольн ое) нарушение симметрии! Первоначально мы имеем, например, 9-мерный "шар", все направления в котором эквивалентны, а позже 6 измерений застывают с а 4 -а 9 (их характерные размеры порядка 10 -33 см) *, а три измерения растут экспоненциально и, в конце концов, становятся больше 5000 Мпк = 10 28 см, т. е. больше всей наблюдаемой области Вселенной. Намерения у нас остались те же, что и раньше,- описать рождение Вселенной "из ничего". Однако конкретная реализация этого намерения становится совсем другой по сравнению с первыми вариантами.

* Размер 10 - 33 см соответствует энерги и 10 19 ГэВ, при которой квантовые свойства гравитации становятся существенными. (Прим. ред.) *

Рождение симметричного мира с координатами X 4 и X 1 , Х 2 , Х 3 при "замораживании" X 4 (в момент t 2 ). Этот рисунок создает у читателя неправильное впечатление о неоднородности пространства (большая кривизна на концах эллипса). Однако нужно помнить, что в многомерной геометрии существуют пространства (так называемые решения Бланки), однородные, но с разной кривизной по разным направлениям. К сожалению, я не умею изображать их на плоскости рисунка.

ПОСЛЕСЛОВИЕ

2 декабря 1987 г. скоропостижно скончался выдающийся советский физик академик Я.Б. Зельдович. Его 56-летняя необыкновенно плодотворная научная деятельность охватывает такие разнородные области, как химическая физика, теор ия элементарных частиц, работы по реактивному, ядерному и термоядерному оружию и - в последние 25 лет - по астрофизике и космологии. Очень велики заслуги Зельдовича как учителя молодых ученых, автора монографий, популярных статей и обзоров.

Об одном из них * особенно уместно здесь вспомнить, так как его тема недавно обсуждалась на страницах журнала **. Речь идет о так называемой "релятиви стской теор ии гравитации" (РТГ), авторы которой пытаются противопоставить ее общей теор ии относительности Эйнштейна (ОТО). Зельдович и Грищук убедительно показали, что фактически речь идет об эквивалентной формулировке уравнений теор ии Эйнштейна, а не о новой теор ии. В РТГ вводится, наряду с искривленным пространством Римана, вспомогательное плоское пространство. Однако неправомерно интерпретировать величины, определенные в терминах этого пространства, в качестве наблюдаемых. Неправильно утверждение авторов РТГ о неоднозначности выводов ОТО. Необоснован и отказ от рассмотрения иных, чем у мира Минковского, топологических структур пространства-времени, в частности от рассмотрения космологической модели замкнутой Вселенной. Именно эта модель представляется наиболее правдоподобной. Она обсуждается в данной статье Зельдовича.

* Зельдович Я. Б., Грищук Л. П. Тяготение, ОТО и альтернативные теор ии // Усп. физ. наук. 1986. Т. 149. Вып. 4. С. 695- 707.

** Логунов А. А. Релятиви стская теор ия гравитации // Природа. 1987. № 1. С. 36-47.

Работы Зельдовича в значительной степени способствовали возникновению нового научного направления, лежащего на стыке теор ии элементарных частиц, астрофизики и космологии. Вся Вселенная при этом выступает в качестве гигантской лаборатории (или полигона) для проверки следствий современных теор ий и гипотез о природе элементарных частиц и пространства, в том числе в той области энерги й и масштабов, которые пока недоступны ускорителям.

Зельдович ставит задачу построения полной космологической теор ии ранней Вселенной, описывающей самую первую, "квантово-гравитационную" стадию расширяющейся Вселенной и отвечающей на вопрос - как возникли качественные и количественные особенности строения Вселенной, проявляющиеся на более поздней стадии, почему Вселенная именно такова, какой мы ее наблюдаем. Полная космологическая теор ия глубочайшим образом связана с построением единой теор ии всех существующих взаимодействий элементарных частиц, т. е. электромагнитных, слабых, сильных и гравитационных взаимодействий; как предполагается, такая теор ия должна включать глубокий пересмотр представлений о структуре пространства на так называемом квантово-гравитационном масштабе (это масштаб порядка 10 -33 см в пространстве и порядка 10 -44 с для возраста Вселенной), для которого необходимо рассматривать квантово-гравитационные эффекты. Пока мы лишь приближаемся к пониманию всех этих самых фундаментальных вопросов о Природе. Есть много идей, много надежд, проделана и делается колоссальная работа, но, вероятно, еще гораздо больший путь впереди, может быть, бесконечный...

Последняя статья Зельдовича, написанная, как всегда, очень живо, ясно и доходчиво, вводит читателя в эту волнующую, головокружительную проблематику.

Аргументация Зельдовича в статье сильна и убедительна. Все же само состояние нашего знания сегодня таково, что некоторые утверждения являются гипотетическими, и не исключено, что в действительности все обстоит иначе. Зельдович неоднократно повторяет это. Позволю себе со своей стороны добавить еще несколько замечаний в том же направлении.

В статье излагаются представления, согласно которым наблюдаемая барионная асимметрия Вселенной (и "скрытая" лептонная асимметрия) возникли на ранней (неравновесной) стадии расширения Вселенной вследствие различия свойств частиц и античастиц и отсутствия в природе точного закона сохранения числа барионов и лептонов. При этом как бы подразумевается, что барионная асимметрия имеет одинаковый знак не только в наблюдаемой нами области Вселенной, а вообще во всей Вселенной. Но на самом деле кажется наиболее правдоподобным, что различие свойств частиц и античастиц само носит вторичный характер и возникает из-за неустойчивости в системе взаимодействующих квантовых полей на ранней стадии эволюции (расширения) Вселенной. Поэтому в разных областях Вселенной, пространственно удаленных друг от друга и, вероятно, очень больших (миллиарды световых лет), различие свойств частиц и античастиц и, соответственно, барионная асимметрия могут иметь разный знак. Предполагается, что в наблюдаемой нами части Вселенной есть только вещество, но где-то "много дальше" лежат антибарионные области (состоящие из антивещества, в частности из антипротонов, антинейтронов и позитронов). В замкнутой Вселенной суммарные объемы барионных и антибарионных областей, вообще говоря, различны, и даже не исключено, что вся Вселенная состоит из одной барионной области. Подчеркнем, что вся эта картина совершенно отлична от предполагавшейся ранее некоторыми авторами в рамках модели с сохранением барионного заряда и пространственным разделением барионов и антибарионов при помощи каких-то неизвестных гипотетических процессов.

Другое замечание относится к гипотез е пульсирующей Вселенной. Безусловно правильно, что в ходе сжатия Вселенной можно ожидать огромной неустойчивости, нарушения однородности и изотропии. Но это само по себе не исключает возможности в будущем бесконечного числа пульсаций (циклов расширения и сжатия Вселенной). При этом не исключено также, что существуют "выравнивающие" механизмы (типа вязкости), и хотя бы в некоторых пульсациях Вселенная будет качественно похожей на. нашу ("не исключено" означает, что мы не можем на теперешнем уровне знаний ни опровергнуть, ни обосновать эти возможности).

Я писал о пульсациях в будущем. Но можно ли представить себе такую модель Вселенной, которая приводит к бесконечной последовательности пульсаций, продолжаемой и в будущее, и в прошлое! Повидимому, существует по крайней мере один вариант. Рассмотрим пространственно-плоскую бесконечную Вселенную. Предположим, что в уравнениях общей теор ии относительности присутствует член с так называемой космологической постоянной. Еще Эйнштейн постул ировал в одной из работ наличие такого члена с положительной космологической постоянной. Мы предполагаем, что космологическая постоянная отрицательна, что эквивалентно "самопритяжению" вакуума и приводит к периодическим пульсациям Вселенной. При этом, так как объем Вселенной, радиус ее кривизны и энтропия бесконечны, происходящий, согласно второму началу термодинамики, рост энтропии не обусловливает каких-либо качественных различий между пульсациями.

Наиболее интересна рассматриваемая в статье Зельдовича модель замкнутой Вселенной. В этом случае энтропия конечна и закон ее возрастания, по-видимому, исключает возможность экстрапол ировать историю Вселенной в бесконечное прошлое. Однако и тут существует "лазейка". Можно предположить, что числовая ось времени представляет собой бесконечную в обе стороны прямую, при этом в одной ее точке энтропия Вселенной равна нулю. Для определенности предположим, что в этот момент Вселенная существует в виде очень маленького замкнутого объема, например трехмерной сферы (представляющей собой трехмерное обобщение известной всем с детства двумерной сферы). Нулевую энтропию имеет, по определению, вакуум.

В современных теор иях поля (об этом пишет Зельдович в своей статье) вакуум может существовать в нескольких состояниях: с равной нулю плотностью энерги и - это "обычный" вакуум, а также с положительной плотностью энерги и и отрицательным давлением - это "ложный" вакуум, обладающий свойством "самоотталкивания". "Ложный" вакуум неустойчив и за некоторое время переходит в "обычный" с образованием различных частиц и полей и соответствующим увеличением энтропии. Пока "ложный" вакуум существует, Вселенная расширяется по экспоненциальному закону, а точнее, в окрестности нулевой точки - по закону гиперболического косинуса. Вся картина качественно симметрична относительно нулевой точки.

Особенно существенно, что энтропия автоматически возрастает при удалении от особой точки в обе стороны. Ведь энтропия, по самому своему определению, положительная величина! Таким образом, мы имеем как бы две невзаимодействующие Вселенные, существующие независимо друг от друга, с обратным ходом времени в одной Вселенной по отношению к другой. В 1967 г. я описал подобную ситуацию, употребив термин "поворот стрелы времени" *. Предполагать "рождение" Вселенной в такой модели, вероятно, нет необходимости, но оно не исключено.

* Сахаров А. Д. // Письма в ЖЭТФ. 1967. Т. 5. С. 32-35.

Все это я пишу не для того, чтобы бросить тень на идею квантового рождения Вселенной в особой точке времени, а чтобы указать на большую неопределенность в нашем понимании ситуации. Эта неопределенность носит глубоко принципиальный даже философский характер. Философски острым является, в частности, вопрос о так называемом антропном принципе, объясняющем особенности нашей Вселенной тем, что только в такой Вселенной могла возникнуть разумная жизнь, в отличие от бесконечного числа других, спонтанно возникающих "мертвых" Вселенных.

В статье Зельдовича показано, что, по крайней мере, нет препятствий к квантовому рождению Вселенной со стороны основных физических законов сохранения. Вселенная при этом должна быть замкнутой (иметь конечный объем).

Академик А. Д. Сахаров

Квантовая механика при всех своих парадоксах все же описывает свойства объектов, существующих в неискривленном ньютоновском пространстве. Будущая теория гравитации должна распространить вероятностные квантовомеханические законы на свойства самого пространства (точнее, пространства-времени), деформированного в соответствии с уравнениями общей теории относительности. Как это сделать с помощью строгих математических выкладок, никто еще толком не знает.

Холодное рождение

Однако пути к подобному объединению можно обдумать на качественном уровне, и здесь появляются весьма интересные перспективы. Одну из них рассмотрел известный космолог, профессор Аризонского университета Лоуренс Краусс в своей недавно изданной книге «A Universe From Nothing» («Вселенная из ничего»). Его гипотеза выглядит фантастической, но отнюдь не противоречит установленным законам физики.

Считается, что наша Вселенная возникла из очень горячего начального состояния с температурой порядка 10 32 кельвинов. Однако возможно представить и холодное рождение вселенных из чистого вакуума — точнее, из его квантовых флуктуаций. Хорошо известно, что такие флуктуации порождают великое множество виртуальных частиц, буквально возникших из небытия и впоследствии бесследно исчезнувших. Согласно Крауссу, вакуумные флуктуации в принципе способны давать начало столь же эфемерным протовселенным, которые при определенных условиях переходят из виртуального состояния в реальное.

Вселенная без энергии

Что для этого нужно? Первое и главное условие — зародыш будущей вселенной должен иметь нулевую полную энергию. В этом случае он не только не обречен на практически мгновенное исчезновение, но, напротив, может просуществовать сколь угодно долго. Это связано с тем, что, согласно квантовой механике, произведение неопределенности величины энергии объекта на неопределенность его времени жизни не должно быть меньше конечной величины — постоянной Планка.

Разделение фундаментальных взаимодействий в нашей ранней Вселенной носило характер фазового перехода. При очень высоких температурах фундаментальные взаимодействия были объединены, но при остывании ниже критической температуры разделения не произошло (это можно сравнить с переохлаждением воды). В этот момент энергия скалярного поля, связанного с объединением, превысила температуру Вселенной, что наделило поле отрицательным давлением и послужило причиной космологической инфляции. Вселенная стала очень быстро расширяться, и в момент нарушения симметрии (при температуре около 10 28 К) ее размеры увеличились в 10 50 раз. В этот момент исчезло и скалярное поле, связанное с объединением взаимодействий, а его энергия трансформировалась в дальнейшее расширение Вселенной.

Коль скоро энергия объекта строго равна нулю, она известна без всяких неопределенностей, и потому время его жизни может быть бесконечно большим. Именно благодаря этому эффекту два заряженных тела, расположенных на очень больших расстояниях, притягиваются или отталкиваются друг от друга. Они взаимодействуют благодаря обмену виртуальными фотонами, которые, в силу своей нулевой массы, распространяются на любые дистанции. Напротив, калибровочные векторные бозоны, переносящие слабые взаимодействия, в силу большой массы существуют лишь около 10 -25 секунды, вследствие чего эти взаимодействия обладают очень малым радиусом.

Что же за вселенная, пусть и эмбриональная, с нулевой энергией? Как объяснил «Популярной механике» профессор Краусс, в этом нет ничего мистического: «Энергия такой вселенной складывается из положительной энергии частиц и излучений (и, возможно, также скалярных вакуумных полей) и отрицательной потенциальной энергии тяготения. Их сумма может быть равна нулю — математика это допускает. Однако очень важно, что такой энергетический баланс возможен лишь в замкнутых мирах, пространство которых имеет положительную кривизну. Плоские и тем более открытые вселенные таким свойством не обладают».

Фазовый переход происходил в эволюции Вселенной три раза: при температуре 10 28 K (распалось Великое объединение взаимодействий), 10 15 К (распад электрослабого взаимодействия) и 10 12 K (кварки стали объединяться в адроны).

Чудеса инфляции

Что произойдет, если квантовые флуктуации вакуума породят виртуальную вселенную с нулевой энергией, которая в силу квантовых случайностей получила какое-то время для жизни и эволюции? Это зависит от ее состава. Если пространство вселенной заполнено веществом и излучением, она сначала будет расширяться, достигнет максимального размера и схлопнется в гравитационном коллапсе, просуществовав лишь ничтожную долю секунды. Другое дело, если в пространстве имеются скалярные поля, способные запустить процесс инфляционного расширения. Существуют сценарии, в которых это расширение не только предотвращает гравитационный коллапс «пузырьковой» вселенной, но и превращает ее в почти плоский и безграничный мир. Тем самым неизмеримо вырастает и время ее жизни — практически до бесконечности. Таким образом, крошечная виртуальная вселенная становится вполне реальной — огромной и долгоживущей. Даже если ее возраст конечен, он вполне может намного превысить нынешний возраст нашей Вселенной. Поэтому там могут появиться звезды и звездные скопления, планеты и даже, чем черт не шутит, разумная жизнь. Полноценное мироздание, возникшее буквально из ничего — вот на какие чудеса способна инфляция!

Все три философа Милетской школы думали, что должно быть одно – и только одно – исходное вещество, из которого создано все сущее. Но как одно вещество может внезапно перейти в нечто совершенно иное? Назовем эту проблему проблемой изменений.

На рубеже VI-V веков до н. э. в греческой колонии Элее в Южной Италии жило несколько философов, ломавших голову над подобными вопросами. Самым знаменитым из них был Парменид (ок. 540-480 до н.э.).

Парменид утверждал, что все сущее существовало всегда. У греков эта идея пользовалась большой популярностью. Они были почти убеждены в вечности всего сущего на земле. Ничто не может возникнуть из ничего, говорил Парменид, и точно так же что-либо уже существующее не может обратиться в ничто.

Конечно, Парменид осознавал, что всё в природе постоянно изменяется. Чувствами он отмечал изменение вещей, однако это противоречило тому, что подсказывал ему разум. Вынужденный выбирать, опираться ли ему на чувства или на разум, он избрал разум.

Нам известно выражение: «Не поверю, пока не увижу собственными глазами». Но Парменид не верил и собственным глазам. Он считал, что чувства дают нам превратную картину мира, картину, не совпадающую с мыслимым бытием. Свою задачу как философа он видел в разоблачении всяческого «обмана чувств».

Столь крепкая вера в человеческий разум носит название рационализма. Рационалист признаёт разум единственным источником познания человеком действительности.

ВСЕ ТЕЧЕТ

Одновременно с Парменидом жил Гераклит (ок. 540-480 до н. э. ) из малоазийского города Эфеса. Он как раз утверждал, что основополагающим свойством природы являются постоянные изменения. Видимо, можно сказать, что Гераклит больше Парменида полагался на свои чувства.

«Все течет», – говорил Гераклит. Все пребывает в движении, ничто не продолжается бесконечно, поэтому «в одну реку нельзя войти дважды». Ведь, когда я вхожу в реку второй раз, и я, и река уже другие.

Гераклит указывал на то, что в мире отведено место и добру, и злу. Без непрерывного взаимодействия между противоположностями мир просто-напросто перестал бы существовать.

«Бог есть день-ночь, зима-лето, война-мир, сытость-голод», – говорил Гераклит. Он употребляет слово «бог», но, несомненно, подразумевает вовсе не тех богов, о которых шла речь в мифах. Для Гераклита бог – или божественное – есть нечто, охватывающее все бытие. Бог – это то, что проявляет себя в изменчивой и проникнутой противоречиями природе.

Вместо слова «бог» этот философ нередко пользуется греческим словом «логос», что значит «разум» или «слово», «речь». Хотя мы, люди, не всегда думаем одинаково и понятия о разуме у нас расходятся, существует некий «мировой разум», управляющий всем происходящим в природе, считал Гераклит. Этот «мировой разум», или «закон природы», универсален, и все обязаны прислушиваться к нему. Однако, по Гераклиту, большинство предпочитает опираться на собственный здравый смысл. Он вообще не слишком жаловал своих собратьев. «Воззрения большинства людей подобны детским забавам», – утверждал он.

Таким образом, посреди всех царящих в природе изменений и противоположностей Гераклит видел некое единство, некую общность. Эту общность, на которой основывается все, он называл «богом», или «логосом».

ЧЕТЫРЕ ПЕРВОВЕЩЕСТВА

Парменид и Гераклит фактически отстаивали противоположные взгляды. Из разума Парменида явствовало, что ничто не может изменяться. Из чувственного опыта Гераклита явствовало иное – что в природе постоянно происходят изменения. Кто из них был прав? Стоит-ли полагаться на то, что подсказывает нам разум, или лучше прислушиваться к чувствам?

И Парменид, и Гераклит выдвигают по два положения.

Парменид учит:

А) ничто не может изменяться

И б) поэтому чувственные впечатления ненадежны.

Гераклит, напротив, утверждает:

А) все изменяется («все течет»)

И б) чувственные впечатления вполне надежны.

Трудно представить себе более серьезные расхождения во мнениях! Однако сицилийскому философу Эмпедоклу (ок. 494-434 до н. э.) удалось найти выход из запутанного положения, в которое попали его предшественники. Он утверждал, что и Парменид, и Гераклит правы по одному из пунктов и ошибаются по второму.

Согласно Эмпедоклу, серьезное разногласие объясняется тем, что философы исходили из существования одного-единственного первовещества. Если бы их взгляды соответствовали действительности, разрыв между доводами разума и тем, что мы «видим собственными глазами», оказался бы непреодолим.

Естественно, вода не может превратиться ни в рыбу, ни в бабочку. Она вообще не в состоянии изменяться. Сама по себе вода навечно остается всего лишь водой. Таким образом, положение Парменида о том, что «ничто не изменяется», справедливо.

Одновременно Эмпедокл соглашался со вторым утверждением Гераклита: да, нам следует полагаться на чувства. Человеку нужно доверять своим глазам, а они свидетельствуют как раз о непрерывных изменениях в природе.

Эмпедокл пришел к выводу, что необходимо отказаться от тезиса о существовании одного первоначала. Ни вода, ни воздух не могут сами по себе превратиться в бабочку или в розовый куст, так что говорить об одном исходном веществе для всего на свете не приходится.

Согласно Эмпедоклу, в природе существуют четыре первовещества, или, как он их называл, «корня». Эти четыре корня суть земля, воздух, огонь и вода.

Все изменения происходят от смешения и последующего разъединения этих четырех элементов. Ведь все состоит из земли, воздуха, огня и воды, только смешанных в разных пропорциях. Когда цветок или животное погибает, четыре первовещества распадаются. Это изменение заметно невооруженным глазом. Однако земля и воздух, огонь и вода остаются неизменными, или «не затронутыми» смешением. Значит, нельзя сказать, что изменяется «все». По сути дела, не изменяется ничего. Происходит всего-навсего слияние четырех стихий и их разложение – для последующего соединения.

Здесь уместно сравнение с художником. Если у него в распоряжении всего одна краска (например, красная), он не в состоянии изобразить зеленые деревья. Если же у него есть желтый, красный и синий цвета – ему доступны сотни различных оттенков, поскольку он может смешивать краски в разных пропорциях.

То же самое легко продемонстрировать на примере с едой. Если у меня нет никаких продуктов, кроме муки, испечь торт под силу только волшебнику. Но если у меня есть вдобавок яйца, молоко и сахар, я могу испечь сколько угодно разных тортов.

Эмпедокл не случайно остановился именно на этих четырех «корнях» природы: земле, воздухе, огне и воде. Его предшественники уже пытались доказать, что первоначалом является либо вода, либо воздух, либо огонь. На воду и воздух как на важные элементы бытия указывали Фалес и Анаксимен. Греки верили и в первостепенную роль огня. Они, например, понимали значение солнца для всего живого на земле и, естественно, знали о тепле, которое поддерживается в телах людей и животных.

Эмпедокл наверняка наблюдал горение дров. При горении происходит разъединение элементов. Нам слышно, как трещит и шипит дерево. Это «вода». Что-то поднимается в виде дыма. Это «воздух». Про «огонь» и говорить нечего, он виден. А когда костер потухнет, останется горстка пепла. Это «земля».

Даже после указания Эмпедокла на то, что изменения в природе связаны с соединением и разъединением четырех корней, кое-какие вопросы остаются невыясненными. Чем вызвано сложение веществ, из которого рождается новая жизнь? И отчего «смесь», например цветок, затем опять разлагается на составные части?