Размышляя о том, может ли вселенная возникнуть как флуктуация или гравитационная неустойчивость вакуума, старший научный сотрудник Харьковского физико-технического института Петр Фомин не знал, что в том же городе Харькове живет один удивительно способный и скромный молодой человек, которому суждено в недалеком будущем войти в тройку самых выдающихся космологов современности. Молодого человека звали Александр Виленкин. Его отец, Владимир Виленкин, был доцентом геолого-географического факультета Харьковского университета. Когда Трайон шокировал коллег странной идеей о Вселенной как квантовой флуктуации, на другом конце Земли, в Харькове, Виленкин-младший оканчивал университет, который двадцатью годами раньше окончил и Петр Фомин. Но космологией в Харькове заниматься было негде, а ничем другим Александр Виленкин заниматься не хотел. Будущая звезда космологической науки работал сторожем в кафе, даже успел пройти службу в рядах советской армии. Но при нем всегда были ручка и блокнот - это все, что ему было нужно. И вот, наконец, справедливость торжествует, все становится на свои места. Большой вопрос, кто кому оказал честь, но в 1976 году Александр Виленкин эмигрирует в США, а через год сдает экзамены в Бостонский университет, где получает самый высокий балл за всю его историю. Он становится доктором наук, и вскоре его приглашают на должность профессора в космологический институт Тафтса в Медфорде, штат Массачусетс, где сейчас он занимает пост директора.
Помните, как шарик "просачивался" сквозь энергетический холм? Аналогично тому, как шарик не может "перепрыгнуть" холм, вселенная с точки зрения классической космологии никак не может преодолеть барьер между "планковскими" размерами и макроскопическими классическими размерами, необходимыми для пуска инфляции. Но Алекс Виленкин показал, что вселенная может тунеллировать под этим барьером. Это удивительная и очень "философски выдержанная" идея, хотя речь идет о чистой физике.
Важно, что даже при начальных размерах, стремящихся к нулю, шансы на туннелирование не исчезают. Более того, вычисления значительно упрощаются, если позволить начальному радиусу вселенной обратиться в нуль. Она туннелирует из нулевого размера в состояние с конечным радиусом и начинающей инфляционно расширяться. Радиус новорожденной вселенной определяется плотностью энергии вакуума: чем выше плотность, тем меньше радиус. Для вакуума Великого объединения это одна стотриллионная сантиметра (10–14 см). Вследствие инфляции эта крошечная вселенная растет с ошеломительной скоростью и за малую долю секунды намного превосходит размер наблюдаемой сегодня области.
Конечно, далеко не всем вселенным так повезет. Будет очень много вселенных-неудачниц, живущих лишь неуловимое мгновение; порождение соотношения неопределенностей подобны виртуальным частицам в пустоте. Но некоторые вселенные сумеют стать большими.
Важно, что никакого исходного состояния вселенной не требуется! Никаких сущностей в начале не должно быть.
Итак, вселенная рождается из ничего?!
Тут проблема становится почти философской. Что, в самом деле, означает "ничто"? И если в результате появляется вполне реальное "нечто", то почему и зачем "ничто" тунеллирует?
Начальное состояние, предшествующее туннелированию, - это вселенная с нулевым радиусом, то есть попросту ее отсутствие. В этом очень странном состоянии нет материи, нет пространства. Нет также и времени.
Время ведь не может просто длиться! Время имеет смысл, только если "где-то" происходит "что-то". Как мы понимаем, что время течет? Мы используем регулярные, периодические процессы: собственные шаги, вращение Земли и т. д. Когда идут часы - это тоже периодический процесс: часы тикают, стрелка с определенной регулярностью проходит деления циферблата. Время - как точно выразился еще в XVIII веке Готфрид Вильгельм Лейбниц, - существует в порядке следования вещей. Но в том-то и дело: всякое движение имеет смысл, только если вещам есть где находиться, если вещи помещены и могут расположиться! Ну и, конечно, если есть сами вещи (хотя тут большой вопрос, поскольку что есть вещи, как не их протяженность, пространственное определение?). Словом, невозможно определить время в отсутствие пространства и материи. Нам очень трудно это представить и понять, поскольку все наши самые простые и естественные реакции и наша логика основываются на классических представлениях о пространстве и времени. Как пишет Алекс Виленкин, невозможно представить себя сидящим посреди "ничего" и ожидающим материализации вселенной, поскольку нет ни пространства, чтобы в нем сидеть, ни времени, чтобы ожидать. Здесь на помощь снова приходит квантовая теория, хотя картина, которая получается в результате, превосходит всякие фантазии.
"Ничто" можно ассоциировать с тем, что космологи называют "пространственно-временной пеной". В планковских масштабах становятся существенными не только квантовые флуктуации энергии вакуума, но и флуктуации самого пространства-времени. Пространство и время перестают быть непрерывной сплошной тканью. Сама геометрия пространства-времени спонтанно меняется каждые 10–43 с. Понятия вроде "место", "перемещение", "прошлое", "настоящее", "будущее" и многие другие, кажущиеся нам естественными, просто теряют смысл. Более того, можно сказать, что пространство и время не действительны, а виртуальны, как виртуальные частицы. Это значит, что никакого пространства и времени просто нет, они в точном смысле нереальны - "невещны", это чистое "ничто"; они есть просто проявление принципа неопределенностей, пена вероятностей того, что пространство-время обладает той или иной метрикой, топологией, количеством измерений и т. д.
И вместе с тем состояние "ничто" нельзя определить как абсолютное небытие. Туннелирование описывается законами квантовой механики. Объяснить это довольно сложно… Законы физики должны существовать, несмотря на отсутствие Вселенной. Однако сами законы квантовой механики таковы, что в планковских масштабах как бы сливаются с собственными проявлениями, с тем, что ими управляется - законы и реалии, которые им подчиняются, становятся неразличимыми. Соотношение неопределенностей - хороший пример. Это соотношение вероятностей. Но можно сказать, что только эти вероятности и существуют на этапе возникновения Вселенной как упомянутая пространственно-временная пена.
Если до возникновения Вселенной в описанном выше смысле ничего не было, тогда что же вызвало туннелирование? Как это ни удивительно, ответ состоит в том, что никакой причины для этого не нужно. Почему? Да потому, что вместе с другими понятиями теряет смысл и понятие причины, причинности. В классической физике причинность - краеугольный камень. Можно точно определить, что случится в каждый следующий момент времени, исходя из случившегося в прошлом. Однако в квантовой механике поведение физического объекта по сути непредсказуемо, и некоторые квантовые процессы совершенно беспричинны. Большинство наших представлений неразрывно связаны с пространством и временем, так что мысленную картину Вселенной, возникающей из ничего, создать действительно непросто.
Здесь уместно вспомнить одну коллизию из истории стихосложения. Английский поэт XVIII века Александр Поуп в благоговении написал следующие строки:
Кромешной тьмой был мир окутан,
И в тайны естества наш взор не проникал,
Но Бог сказал: "Да будет Ньютон!"
И свет над миром воссиял.
В XX веке на хвалебную оду Поупа другой англичанин, Джон Сквайр, тоже поэт, ответил эпиграммой:
Но сатана недолго ждал реванша.
Пришел Эйнштейн - и стало все, как раньше.
Сингулярная точка с бесконечной кривизной в классической фридмановской модели превращается в квантово-вероятностное "ничто", из которого рождается Вселенная. Вы можете сказать: ну прогресс так прогресс! Было непонятно, теперь стало… совсем непонятно! Однако разница очень велика. Если в первом случае речь шла по существу о признании наукой собственного бессилия перед проблемой возникновения Вселенной, то во втором случае мы имеем последовательное физико-математическое описание с развернутой интерпретацией. Ну а что до понятности… Вспомним еще раз определение Нильса Бора - а именно он вместе с Вернером Гейзенбергом, собственно, и придумал квантовую теорию: идея в современной физике должна быть совершенно безумной, чтобы оказаться верной. И потом, было бы странно, если бы такие вещи, как рождение Вселенной и начало мира, выглядели простыми, легкими и понятными. Не правда ли?
Невесомость негативно влияет на состояние здоровья человека: жидкости в организме перемещаются вверх, кости начинают интенсивно терять кальций. Лица людей становятся одутловатыми, также происходит закупорка носа и нарушения в функционировании кишечника.
Суперармагеддон
А что же случится с нашей областью Вселенной и вообще со Вселенной в будущем? Каким оно будет?
Теория вечной инфляции говорит нам, что Вселенная как целое будет существовать вечно, но наша местная область - наблюдаемая Вселенная - вполне может иметь конец. Этот вопрос был в центре внимания космологов на протяжении большей части XX столетия, и за это время их представления о конце света несколько раз менялись.
Классическая космологическая модель, появившаяся с легкой руки Александра Фридмана, делает сценарии конца нашей Вселенной вполне однозначными. Перспективы будущего нашего космоса основаны на том, является ли Вселенная открытой, плоской или замкнутой. Открытая и плоская Вселенная будут расширяться вечно, тогда как замкнутая переживет повторное сжатие по истечении определенного времени.
Вселенная подвергнется коллапсу и большому сжатию, если ее плотность больше некоторого критического значения, и продолжит вечно расширяться в противном случае. Допустим, расширение Вселенной будет постепенно замедляться и затем сменится сжатием. Сначала сжатие будет медленным, потом все ускоряющимся. Галактики станут сходиться все ближе, пока не сольются в огромный конгломерат звезд. Небо будет делаться все ярче, но не из-за звезд - все они, скорее всего, умрут к тому времени, - а из-за растущей интенсивности космического микроволнового излучения. Оно разогреет остатки звезд и планет до неприятно высоких температур. Жить в таких условиях станет трудно, как ракам, которых варят, чтобы подать к пиву. Наконец, звезды разрушатся в столкновениях друг с другом или испарятся под действием мощного теплового излучения. Образовавшийся горячий огненный шар будет похож на первичный огненный шар Гамова. Но теперь он окажется сжимающимся, а не расширяющимся. Еще одно отличие варианта Гамова в том, что сжимающийся огненный шар сильно неоднороден. Сначала более плотные области сожмутся в черные дыры, которые затем будут объединяться и укрупняться, пока все не объединятся в одном большом сжатии, которое устремится к сингулярности.
В противоположном варианте - при плотности меньше критической - гравитационное притяжение вещества окажется слишком слабым, чтобы остановить расширение и превратить его в сжатие. Вселенная будет неограниченно долго расширяться. Через триллион лет все звезды исчерпают свое ядерное топливо, и галактики превратятся в скопища холодных звездных остатков - белых карликов, нейтронных звезд и черных дыр. Вселенная станет совершенно темной, с призрачными галактиками, разлетающимися прочь в пустоте все возрастающих размеров. Такое положение дел сохранится по меньшей мере 1031 лет, но в конце концов нуклоны, из которых состоят звездные остатки, распадутся, превратившись в легкие частицы - позитроны, электроны и нейтрино. Электроны и позитроны аннигилируют в фотоны, и мертвые звезды медленно растворятся.
Даже черные дыры не существуют вечно. Согласно знаменитой догадке Стивена Хокинга, из них должна происходить утечка излучения, а значит, они постепенно потеряют свою массу (это известный всем физикам эффект "испарения" черных дыр). Так или иначе, менее чем через гугол лет все знакомые нам структуры во Вселенной перестанут существовать. Звезды, галактики и их скопления исчезнут без следа, оставив после себя лишь становящуюся все более разреженной смесь нейтрино и излучения.
Для того чтобы определиться с судьбой Вселенной, необходимо измерить фактическое значение ее плотности. Более полувека астрономы пытались это сделать. Однако природа не хотела раскрывать свои долгосрочные планы. Отношение реальной плотности Вселенной к критической плотности всякий раз удивительным образом оказывалось близким к 1, а точности измерений не хватало, чтобы все же определить, больше оно или меньше.
Большое сжатие и неограниченное расширение казались равновероятными. Однако важнейшая космологическая идея последнего времени - идея инфляции - дает на этот счет весьма определенные предсказания. Во время инфляции, как мы уже знаем, плотность Вселенной как раз и должна становиться предельно близкой к критической. Говоря по- другому, те, кого мучают кошмары по поводу скорого большого сжатия, могут расслабиться. Конец будет медленным и скучным: холодный остаток Солнца будет целые гуголы лет висеть в пустоте, дожидаясь, пока распадутся все его нуклоны.
Если некая Вселенная имеет критическую плотность материи, то процесс образования структур растягивается на огромный отрезок времени. Поэтому в такой Вселенной и могут образоваться крупные структуры: сначала возникают галактики, затем они сбиваются в скопления, а те впоследствии образуют сверхскопления. Между прочим, именно в этом случае Вселенная обладает нужными свойствами, чтобы разрешить возникновение и развитие жизни. Хотя до полного понимания жизни и ее эволюции нам чрезвычайно далеко, относительно определенным является одно: на это уходит много времени. Появление человека заняло на нашей планете около 4 млрд лет, и мы готовы поставить на то, что в любом случае для возникновения разумной жизни должен пройти, как минимум, миллиард лет. Таким образом, Вселенная в целом должна прожить миллиарды лет, чтобы позволить развиться жизни, по крайней мере, в случае биологии, хоть сколько-нибудь напоминающей нашу.
Но если средняя плотность в наблюдаемой части Вселенной выше критической, то примерно через сотню-другую триллионов лет вся эта область превратится в одно грандиозное и невообразимое суперсверхскопление. К этому времени все звезды уже прогорят, а все наблюдатели… все наблюдатели, вероятно, вымрут. Но образование структур будет продолжаться, охватывая все большие и большие масштабы. Оно остановится, только когда космические структуры исчезнут из-за распада нуклонов и испарения черных дыр.
Другое изменение сценария суперармагеддона, связанное с инфляцией, состоит в том, что конец Вселенной в целом никогда не наступит. Инфляция вечна. В иных частях инфлирующего пространства-времени будут формироваться бесчисленные области, похожие на нашу, а их обитатели будут пытаться понять, как все это началось и чем закончится.
Фридмановская взаимосвязь между плотностью Вселенной и ее окончательной судьбой работает, только если другая очень важная космологическая плотность - энергии вакуума (космологическая постоянная) - равна нулю. Это было стандартным предположением в науке о Вселенной в целом до 1998 года. Но когда были обнаружены свидетельства того, что это не так, все прежние предсказания будущего Вселенной пришлось несколько пересмотреть. Как уже отмечалось, расширение Вселенной начинает ускоряться, как только плотность вещества становится ниже, чем у вакуума. В этот момент всякое гравитационное "стайкование" галактик и скоплений останавливается. Скопления галактик, которые уже связаны друг с другом гравитационно, сохраняются, но более рыхлые группы рассеиваются отталкивающей гравитацией вакуума.
Наш Млечный Путь связан с так называемой Местной группой, включающей в себя гигантскую спиральную галактику в Андромеде и около 20 карликовых галактик. Туманность Андромеды держит курс на столкновение с Млечным Путем; они сольются примерно через 10 млрд лет. Галактики за пределами Местной группы, двигаясь все быстрее и быстрее, улетят прочь. Одна за другой они будут пересекать наш горизонт и исчезать из виду. Этот процесс завершится через несколько сотен миллиардов лет. В ту отдаленную эпоху астрономия станет очень скучным делом. Кроме гигантской галактики, образовавшейся после слияния Туманности Андромеды с ее карликовыми спутниками, на небе не будет практически ничего. Так что астрономы потеряют работу, ибо ничего интересного на небе уже не увидят - только черная пустота за пределами суперметагалактики.
Но есть еще теория суперструн и есть "суперструнный" ландшафт. Согласно теории супеструн, которую Джозеф Полчински и Леонард Сасскинд объединили с теорией инфляции, в классическом смысле наш вакуум стабилен и имеет постоянную плотность энергии, но квантово-механически он может распадаться, образуя пузырьки. Те из них, в которых вакуум имеет отрицательную энергию, однажды появившись, будут, как мы уже знаем, расширяться с почти такой же скоростью, с какой движется свет. В таком случае наша Вселенная когда-нибудь может натолкнуться на границу такого раздувающегося пузыря - иногда ее называют доменной стенкой. Доменная стенка, возможно, надвигается на нас прямо сейчас! Это будет апокалипсис, как говорится, по определению. Мы ничего не узнаем о ее подходе. Она движется так быстро, что свет не намного ее опережает. Приход стенки приведет к полному уничтожению нашего мира. Не только сколько-нибудь сложные формы, но и элементарные частицы, составляющие звезды, планеты и наши тела, не смогут существовать в новом типе вакуума. Все знакомые объекты, любые мыслимые конгломераты мгновенно разрушатся и превратятся в сгустки какой-то неизвестной нам материи.
Правда, есть в этом сценарии конца и нечто очень обнадеживающее. Темп зарождения пузырьков может быть очень низким, поэтому не исключено, что пройдут гуголы лет, пока на наши окрестности надвинется стенка пузыря. Однако есть модели (модели со скалярным полем - имени Андрея Линде), где время апокалипсиса зависит от энергетического ландшафта, описывающего вакуум скалярного поля, и встреча с доменной стенкой может наступить довольно скоро: всего, например, через 20 млрд лет.
Отработавшие положенный срок космические спутники отправляют на специально выделенные для этого орбиты. Количество спутников-мертвецов, летающих вокруг Земли, превышает 8000.
Две "коперниканские революции"
До эпохи Возрождения (XIV–XV века) в астрономии господствовало представление, что Земля является центром Вселенной, а Солнце, звезды и планеты вращаются вокруг нее. Конечно, представление это было связано с христианской религией, такой распространенной и такой значимой в то далекое время. В христианской традиции человек - это уникальное существо. Человек выделен и незауряден. Земля, место обитания человека, ощущалось и мыслилось как центр творения. В этом суть геоцентрической картины мира.
Вопреки этой картине все чаще и чаще высказывались утверждения, что в центре находится не Земля, а Солнце. Земля вместе со звездами и планетами вращается вокруг Солнца. Обобщил и представил этот взгляд на суд образованной общественности польский ученый Николай Коперник.
Переход от геоцентрической к гелиоцентрической картине мира был связан с точным описанием формы планетарных орбит (это сделал Иоганн Кеплер). Старая геоцентрическая картина мира также могла объяснить новые наблюдения, но только за счет все большего и большего усложнения.