Взрыв мироздания

Именно на этом этапе в игру вступил Георгий Гамов. Гамов познакомился с моделью нестационарной Вселенной еще на студенческой скамье, когда учился у Фридмана. По окончании Ленинградского университета он посвятил себя ядерной физике и выполнил несколько классических работ, в частности построил теорию альфа-распада и предложил капельную модель ядра. Впоследствии он эмигрировал и в своих исследованиях полностью переключился на астрофизику. Основываясь на работах Леметра, Гамов начал поиск решения проблемы возникновения в Большом взрыве окружающих нас химических элементов.

Поскольку расширение Вселенной приводит к ее постепенному охлаждению, сжатие должно вызывать обратный эффект. Поэтому, исследуя модель Леметра назад во времени почти до исходного момента, Гамов заключил, что сразу после рождения мира все имевшееся вещество было чрезвычайно нагрето. Это был огромный шаг вперед по сравнению с леметровским атомом, для которого понятие температуры вообще не имело смысла. Однако следовало еще определиться с составом первичной материи.

Гамов предположил, что ранняя Вселенная была заполнена элементарными частицами, включая протоны, нейтроны и электроны. Эту смесь он назвал айлемом, использовав термин из средневекового английского языка, означающий некую первосубстанцию как источник всего сущего. И на этот раз интуиция не подвела замечательного физика, ведь по современным представлениям к концу первой секунды Большого взрыва все известное нам вещество Вселенной полностью состояло из айлема.

Спустя некоторое время астрофизики, анализируя построения Гамова, пришли к выводу, что Вселенная должна быть заполнена микроволновым излучением, возникшим примерно через 300 тыс. лет после ее начала. Это было предсказанием принципиально нового явления, еще не известного науке. Регистрация микроволнового излучения, осуществленная в шестидесятых годах прошлого века, оказалась сильным аргументом в пользу теории горячего рождения Вселенной.

Однако вернемся к совершенно фантастическому этапу инфляции. Когда маятник рождающейся Вселенной сделал один раз хроноквантовый «тик» и ее размеры стабилизировались, сформировался тот набор фундаментальных физических законов, которые до сих пор управляют окружающей нас реальностью. Одновременно из вакуума возник феерический фонтан рождающихся элементарных частиц. В результате к концу инфляционной фазы Вселенная уже была наполнена горячей кашей из разнообразных микрочастиц и электромагнитного излучения.

Очень важно, что обычных (естественно, с нашей точки зрения) частиц оказалось чуть больше, нежели античастиц. Эта разница была микроскопической, порядка стотысячных долей процента, но все же не нулевой. В результате, когда Вселенная охладилась настолько, что излучение перестало рождать новые частицы, вся антиматерия исчезла в процессе аннигиляции. Через 30 микросекунд после Большого взрыва субэлементарные кварки и связывающие их глюоны сконденсировались в нуклоны-протоны и нейтроны, а где-то на десятой секунде наступила эра первичного нуклеосинтеза, то есть возникновения композитных ядер гелия, дейтерия и лития.

Глава 5. На просторах мультивселенной

Космос состоит из множества раздувающихся шаров – миров, которые дают начало таким же шарам, а те, в свою очередь, рождают подобные шары в еще больших количествах, и так до бесконечности.

Возможно, параллельно нашей Вселенной существует еще множество других вселенных, в которых действуют свои собственные физические законы…

Единственная проблема в том, что мы не способны заглянуть в другие вселенные, самым фактом своего рождения отгороженные от нас. Мы не можем наблюдать за ними, и эта невозможность удручает любого ученого.

    А. Д. Линде.
    Рождение Вселенной

В последние годы термин Мультивселенная, а также его аналоги: Мультиверс, Мегамир, Мега-вселенная и Метавселенная появились в трудах целого ряда космологов, астрофизиков и философов. При этом многие из них уверены, что эта идея может стать одним из краеугольных камней новой модели мироздания.

Между тем этот необычный термин для мира, содержащего множество равноправных реальностей, придумал известный английский писатель-фантаст Майкл Муркок. В последнее время возникло много космологических сценариев возникновения и эволюции Мультивселенной. Однако в современную физику идея многомирности вошла в середине прошлого столетия совершенно необычным образом. Она появилась в научной работе аспиранта Принстонского университета Хью Эверетта, посвященной весьма необычному варианту квантовой теории измерений. Долгое время большинство физиков относилось к теории Эверетта настороженно, но затем некоторые видные космологи стали использовать понятие Мультивселенной в своих сценариях возникновения окружающего мира. Это сразу же вернуло интерес к идеи многомирности и позволило по-новому взглянуть на первые моменты рождения мироздания.

Так, согласно самому распространенному космологическому сценарию инфляционное расширение развилось практически сразу же после начала Большого взрыва, точнее, через один хроноквант, и длилось порядка одного хронокванта. На этом этапе существовал только физический вакуум, параметры которого сильно менялись из-за квантовых всплесков – флуктуаций. Далее развитие одной из флуктуаций привело к внутреннему скачку энергии с переходом в инфляционный режим расширения. В итоге возник молниеносно расширяющийся пузырек с первоначальным диаметром ячейки пространства – времени, который и стал зародышем нашей Вселенной.

Инфляция пузырька-предтечи была чрезвычайно кратковременной, и за ничтожно малое время его поперечник вырос до размеров нашей Вселенной. Далее наш новорожденный мир эволюционировал в соответствии со сценарием Фридмана – Ситтера – Гамова. Самое удивительное, что с течением времени темп расширения не только перестал падать, но, напротив, начал возрастать, что мы сегодня и наблюдаем. Случайные квантовые изменения структуры первичного физического вакуума приводят к возникновению исполинских областей пространства – времени (по-физически – континуума), которые в совокупности и составляют Мультивселенную. Флуктуация, которая рождает данный регион, выступает в качестве «встроенного» в него Большого взрыва.

Наша Вселенная принадлежит этой совокупности миров, но не имеет в ней особого статуса. Отдельные вселенные как бы вложены в единый пространственно-временной континуум наподобие матрешек, но разнесены в нем настолько, что не чувствуют присутствия друг друга.

Существование инфляционной Мультивселенной можно подкрепить и аргументами, выходящими за рамки собственно физики и космологии. Так почему бы не предположить, что природа случайным образом рождает множество параллельных миров, которые служат для нее своеобразным экспериментальным полем по созданию жизни…

Конечно, все эти мысли основаны на предположении, что жизнь возникает лишь в привычных для нас формах, но ведь других мы не знаем. Можно долго рассуждать о мыслящем океане или разумной плазме, но скорее всего разумная жизнь возможна только на белковой основе.

Жизнь возникла на небольшой планете, обращающейся вокруг рядовой звезды одной из рядовых галактик именно нашего мира по той простой причине, что этому благоприятствовало его физическое устройство. Другие миры в своем абсолютном большинстве для жизни приспособлены плохо – и потому мертвы, если не пусты.

Так микромир сомкнулся с макромиром. Космическая инфляция превратила одну крайность в другую. Неимоверно огромная Вселенная стала увеличенной копией неимоверно малого мира. Две бесконечности соединил уникальный процесс космологической инфляции.

Но было ли научным чудом рождение нашей Вселенной? Неужели это событие уникально и неповторимо? Почему бы наряду с этой Вселенной не существовать еще и множеству других мирозданий? В окружающем нас вакууме каждый момент возникает бессчетное число флуктуаций. И если вся наша Вселенная порождена таким пустяковым событием, как клокотание энергии в вакууме, то почему бы не предположить, что оно могло повторяться неисчислимое количество раз?

Может быть, наш мир – это лишь сгусток материи и энергии, вылетевший из запредельного мира, где непрерывно грохочут Большие взрывы, и невидимые лавины порождают очередную Вселенную, рассыпаясь в ней на миллиарды крохотных комьев – звезд, планет и галактик.

Подобная картина сотворения мира уже возникала в статьях многих известных физиков, а вот физические законы, дотоле употребительные лишь в микрокосме, мы впервые применили для всей нашей Вселенной в целом. Мы оправдываем этот хитрый прием тем, что Вселенная в начальный момент своего зарождения была спрессована в крохотной точке пространства размерами меньше атома.

Чем же можно подтвердить или опровергнуть высказанные идеи? Эксперименты, проведенные на сверхмощных ускорителях элементарных частиц, подтвердили, что теоретики во многом правы. Физический вакуум действительно наполнен энергией, заряжен ей. Время от времени в нем образуются сгустки, которые тут же исчезают. Этот процесс длится гораздо быстрее миллиардных долей секунды.

Законы природы не являются чем-то само собой разумеющимся, абсолютным. Их не было до появления Вселенной. Каждый мир мог бы развиваться по-иному, и всякий раз в нем возникали бы собственные законы природы. Теория множества вселенных разрешает загадку, как в результате вселенского взрыва могли возникнуть любые миры, ведь вариантов было множество. Однако родилась именно та, в которой появились звезды, планеты и даже жизнь.

Как зыбко то равновесие в природе, что установилось благодаря действию физических констант! Малейшего их изменения было бы достаточно, чтобы на бескрайних просторах не зародилось ни одного живого организма и уж тем паче ни одного разумного существа, способного эти спасительные для него законы природы открыть и надлежащим образом их сформулировать.

Вероятность появления вселенной, в которой может зародиться жизнь, составляет ничтожную долю процента. И все же она существует. Каждая из физических констант в нашей Вселенной получила единственно возможное значение. И как следствие этой череды нужных совпадений родилась жизнь! Все это объяснимо в мире вечных флуктуаций, где в фантастическом котле, расположенном где-то за пределами нашего мироздания, вновь и вновь, как пузыри, всплывают вселенные.

Получается, что Большой взрыв повторяется постоянно. Вселенная человечества вовсе не уникальна, она – всего лишь результат случайного совпадения обстоятельств. Почти все остальные вселенные, сколько бы их ни рождалось, могут быть жизненно неудачны и совершенно необитаемы. И потому никто не может оценить, насколько же неблагоприятны условия жизни в этих бесконечных пустынях. Иными словами, человечеству потрясающе повезло: мы вытащили самый крупный выигрыш в космической лотерее.

Рассуждая о Мультивселенной, можно допускать самые смелые теоретические построения. Вероятно, в других мирах если и возникают какие-то формы жизни, то совсем иные, нежели те, что зародились в нашем уголке Метагалактики. Чем-то трудности, возникшие в космологии, напоминают те самые проблемы, над решением которых бились биологи, пока Чарльз Дарвин не сформулировал свою теорию эволюции. Дарвин показал, что новые видовые признаки возникают по причине случайных наследственных изменений и их просеивания через сито отбора. Все эти модификации проходят суровую проверку. Только лучшие из них выдерживают естественный отбор. У особей, наделенных этими признаками, появляется свое потомство, которое столь же успешно конкурирует с другими представителями данного вида – таким образом укореняется тот или иной видовой признак. Движителем эволюции явилась простая комбинация мутационной изменчивости и естественного отбора. Этой комбинации вполне достаточно, чтобы объяснить эволюционные процессы.

Если мы предположили, что существует множество вселенных, то почему бы не упорядочить их с помощью космической эволюции?

К естественному космическому отбору мы не вполне можем применить положения дарвинистской теории. Описывая сущность естественного отбора, биологи подразумевают, что развитие популяции ограничено определенными внешними факторами. Изоляция отдельных вселенных делает, конечно, невозможной эволюцию в биологическом смысле этого слова.

Хотя данная гипотеза и умозрительна, назвать ее ненаучной нельзя. Уже сейчас многие специалисты уверены, что Большой взрыв нельзя считать уникальным явлением и что наша Вселенная является всего лишь одной среди множества ей подобных миров. Идея космической эволюции становится лишь дальнейшим развитием уже бытующих в ученой среде идей.

Конечно, здесь есть и целый ряд спорных моментов. Ведь получается, что лишь вселенные, содержащие большое число источников миров, благоприятны для развития жизни. Однако вполне можно представить себе миры, которые усиленно «клонируются» и все же остаются необитаемыми. В частности, вселенные могут быть насыщены замерзшими звездами, но это совсем не означает, что в них непременно зародится жизнь. И все же весьма вероятно, что на одной из стадий естественного космического отбора где-то случайно зародится жизнь – ведь появилась же наша, населенная нами.

В таком случае, если всей нашей Солнечной системе суждено исчезнуть внутри черной дыры, притаившейся в центре нашей Галактики, то сингулярный объект, в каковой она превратится, станет со временем зародышем новой Вселенной. В этом новом мире однажды снова появятся на свет разумные существа, которые в один прекрасный день снова зададутся теми же самыми вопросами. И ответы на эти вопросы когда-нибудь снова отыщут в научно-популяр ной книге. Только в которой по счету Вселенной это случится?

Глава 6. Гравитационный прибой

…Как следует из специальной теории относительности, ничто не может двигаться со скоростью, превышающей световую. Размышляя над этой проблемой, Эйнштейн представил себе луч света, искривляющийся при прохождении у края Солнца. Материя как-то изгибает пространство, и другая материя должна двигаться в таком пространстве «естественно» – так, как мы это наблюдаем. Он решил, что наиболее естественным был бы кратчайший путь между двумя заданными точками пространства. Иными словами, Солнце искривляет пространство вокруг себя, и планеты движутся эллиптическими орбитами, но в искривленном пространстве они представляют собой прямые линии.

Далеко не все соглашались с этими странными идеями Эйнштейна.

    Б. Паркер.
    Мечта Эйнштейна: В поисках единой теории строения Вселенной

Со времен античных натурфилософов-метафизиков пространство считалось математической абстракцией, всегда и всюду одинаковым, не зависящим от заполняющих его тел, и никак не проявляющим себя в материальном мире. В этом идеализированном пространстве более двух тысячелетий успешно царствовала геометрия Евклида. Первым, кто высказал мысль о возможности построения других геометрий, столь же последовательных и непротиворечивых, как и евклидова, был выдающийся математик Николай Лобачевский. К сожалению, его удивительные работы настолько опередили свою эпоху, что не нашли понимания даже у выдающихся математиков того времени.

Лобачевский не просто первым создал теорию неевклидовой геометрии, но и поставил вопрос о реальной геометрии нашего мира. Какова она – плоская евклидова или же искривленная неевклидова? Он попытался практически ответить на этот вопрос, проведя ряд астрономических измерений суммы углов треугольников, составленных из далеких звезд. Однако отсутствие разработанной методологии подобных наблюдений и их низкая точность не позволили получить какой-либо результат.

Работы Лобачевского и независимые исследования одаренного венгерского математика Яноша Бойяи послужили надежной основой для всех последующих концепций искривленного пространства, в том числе созданных немцем Бернхардом Риманом. Этот теоретик создал математический аппарат для анализа самых разнообразных пространств. В его статьях пространство представало и изогнутым, и скрученным с разрывами и склейками, и даже многомерным. Теория Римана во многом вдохновляла работы математика и литератора Льюиса Кэрролла.

Именно с помощью неевклидовой геометрии теория релятивистской гравитации – общая теория относительности – описывает наш мир.

Оригинальный математический аппарат неевклидовой геометрии позволил Эйнштейну далеко продвинуться в понимании сущности всемирного тяготения. Именно таким образом великий теоретик пришел к парадоксальной идее, составившей основу второй части релятивистской концепции: связать силу тяготения с кривизной нашего пространства. Надо заметить, что основные уравнения общей теории относительности впервые вывел Давид Гильберт. Правда, он пришел к сущности своих знаменитых уравнений, составивших «пространство Гильберта» своим собственным путем в результате исследований, которые повлияли на современную математику не меньше, чем идеи теории относительности на физику. Любопытно и другое: Гильберт и Эйнштейн посвятили свою жизнь поискам наиболее общих принципов организации мироздания. Причем, если Гильберт искал единые основы мира математических идей, то жизненным идеалом Эйнштейна было создание теории некоего единого поля. Из этой «теории всего» можно было бы как частный случай вывести существование всех известных частиц и сил. Эта «чаша Грааля» современной физики до сих пор остается недостижимой, но ее поиски ведутся весьма интенсивно, причем как физиками-теоретиками, так и экспериментаторами.

Не так давно научный мир потрясла очередная сенсация. Речь идет об открытии следов реликтовых гравитационных волн, оставшихся от эпохи Большого взрыва. Сенсационное открытие состоялось в рамках международной программы Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization (BICEP) в самой необычной обсерватории Земли, расположенной на антарктической станции «Амундсен-Скотт». Именно там природа создала подходящие условия для наблюдений, крайне иссушив и проморозив атмосферу.

Почему же это открытие вызвало такой ажиотаж среди астрономов и физиков?

Гравитационные волны… Эти загадочные порождения поля всемирного тяготения возникли столетие назад на использованном почтовом конверте. Именно так небрежно великий Эйнштейн записывал гениальные идеи, случайно пришедшие в голову. Когда создатель теории относительности обнаружил формулу для гравитационных волн, никто не сомневался, что вскоре экспериментаторы откроют новые удивительные свойства пространства – времени. Однако шло время, но крепкий орешек «гравитационного прибоя Вселенной» никак не поддавался усилиям ученых. Правда, в мировых СМИ изредка появлялись заявления, объявлявшие об очередном открытии. Увы! Все они так и не нашли подтверждения. Сюда же следует отнести и несостоявшиеся сенсации о различных проявлениях левитации, антигравитации и создании всяческих «гравицап»…

Между тем количество попыток открыть «дрожь пространственно-временной матрицы» отнюдь не уменьшается, скорее даже наоборот: возникло целое полуофициальное направление экспериментальной астрономии – гравитационно-волновая астрофизика. И хотя эта область науки еще мало освоена, ее исследователи уверенно делают первые решительные шаги, опираясь на многие косвенные данные о гравитационном колебании космоса. К сожалению, сами принципы детектирования волн тяготения требуют создания дорогостоящих циклопических сооружений и систем, на что энтузиасты гравитационного поиска приводят исторические примеры развития фундаментальных областей физики, изменившие лик цивилизации. Действительно, ведь когда-то даже самые светлые энциклопедические умы не осмеливались предсказать, что забавные опыты с «янтарной электрической субстанцией» в конечном итоге приведут к XIX веку пара и электричества, не говоря уже о последующих столетиях атомных электростанций, лазеров и солнечных батарей.

Когда-то выдающийся французский математик и натурфилософ Пьер-Симон Лаплас, отстаивая жесткую связь между всеми элементами мироздания, заметил, что даже взмах руки влияет на движение звезд. Современный физик перефразировал бы: взмахните рукой – и по всей Вселенной побегут гравитационные волны!

Теоретически это так, но их регистрация действительно составляет труднейшую техническую проблему, ведь гравитационные «приливы» и «отливы» на 40 порядков (!) уступают тем же электромагнитным волнам. Продолжая рассчитывать мощность оптимальной гравитационной волны, которая бы заставила ощутимо вибрировать приемник наподобие пустой железнодорожной алюминиевой цистерны, мы получим околосветовую звездную карусель. Жаль, но подобные небесные феномены астрономы пока еще не открыли…