Астрономия

По ту сторону Большого взрыва

Глава из книги «Нереальная реальность. Путешествие по квантовой петле»

Pixabay/Издательство «Питер»/Indicator.Ru

В то время как существует множество книг, посвященных космологии и теории струн, книги, где описывались бы исследования по квантовой природе пространства и времени, а также по петлевой квантовой гравитации, практически невозможно найти. Поэтому Карло Ровелли и взялся написать книгу, перевод которой выпустил издательский дом «Питер». Публикуем главу из книги.

Мастер

В 1927 году молодой бельгийский ученый и католический священник, получивший иезуитское образование, изучил уравнения Эйнштейна и — как и Эйнштейн — понял, что, согласно этим уравнениям, Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься. Но вместо того чтобы безосновательно отвергнуть этот результат и упрямо пытаться его избежать, как поступил Эйнштейн, бельгийский священник поверил в него и стал искать астрономические данные для его проверки. В то время галактики не назывались галактиками. Их называли туманностями, поскольку в телескоп они выглядят как маленькие бледные облака среди звезд. Никто еще не знал, что это колоссальные далекие звездные острова, подобные нашей собственной Галактике.

Однако молодой бельгийский священник понимает, что скудные данные о галактиках на самом деле совместимы с возможностью расширения Вселенной: близкие к нам галактики удаляются с большой скоростью, словно ими кто-то выстрелил в небо; далекие галактики удаляются еще быстрее. Вселенная раздувается, подобно воздушному шарику.

Генриетта Левитт

Harvard College Observatory

Два года спустя эта догадка подтверждается благодаря двум американским астрономам — Генриетте Левитт и Эдвину Хабблу. Левитт открывает хороший метод измерения расстояний от туманностей, подтвердивший, что они находятся очень далеко, за пределами нашей собственной Галактики. C помощью этого метода и большого телескопа Паломарской обсерватории Хаббл собирает точные данные, которые подтверждают, что галактики удаляются, а их скорости пропорциональны расстоянию до них.

Но именно молодой бельгийский священник еще в 1927 году сделал ключевой вывод: если мы видим летящий вверх камень, значит, раньше он находился ниже и что-то швырнуло его вверх. Если мы видим удаляющиеся галактики и Вселенная расширяется, значит, раньше галактики были ближе, а Вселенная была меньше и что-то заставило ее начать расширяться. Молодой бельгийский священник выдвигает предположение, что Вселенная изначально была чрезвычайно маленькой и плотной и начала свое расширение с гигантского взрыва. Он называет это начальное состояние первоатомом. Сегодня мы знаем его как Большой взрыв.

Молодого бельгийца звали Жорж Леметр. По-французски его имя звучит как le maître, что означает «мастер», — трудно найти более подходящее имя для человека, который первым осознал факт Большого взрыва. Но, несмотря на свое имя, Леметр имел очень сдержанный характер; он избегал полемики и никогда не настаивал на своем приоритете в открытии расширения Вселенной, которое в итоге стали приписывать Хабблу. Два эпизода из его жизни иллюстрируют глубину его ума. Первый касается Эйнштейна, второй — папы римского.

Как уже упоминалось, Эйнштейн скептически отнесся к идее расширения Вселенной. Он вырос с мыслью, что Вселенная статична, и не мог принять идею, что это не так. Даже великие совершают ошибки и склонны к предубеждениям. Леметр встретился с Эйнштейном и попытался пошатнуть его предубеждения. Эйнштейн был непреклонен и дошел до того, что сказал Леметру: «Правильные вычисления, отвратительная физика». Позднее Эйнштейн был вынужден признать правоту Леметра. Не всякому дано опровергнуть Эйнштейна.

Жозеф Леметр

Wikimedia Commons

Эта ситуация повторилась еще раз. Эйнштейн ввел в свои уравнения небольшое, но важное дополнение — космологическую постоянную <…> в (ошибочной) попытке заставить уравнения описывать статическую Вселенную. Когда он признал, что Вселенная не статична, то отверг космологическую постоянную. Леметр во второй раз попытался убедить его изменить свое мнение: космологическая постоянная не делает Вселенную статичной, но она, тем не менее, правомерна и нет оснований ее отбрасывать. В этот раз Леметр тоже оказался прав: космологическая постоянная вызывает ускоренное расширение Вселенной, и это ускорение недавно было измерено. И вновь Эйнштейн ошибался, а Леметр оказался прав.

Когда идея появления Вселенной в Большом взрыве стала при¬знаваться, папа Пий XII в публичном выступлении (22 ноября 1951 года) объявил, что эта теория подтверждает сотворение мира, описанное в Книге Бытия. Леметр с большим беспокойством отреагировал на заявление папы. Он связался с научным советником понтифика и приложил большие усилия к тому, чтобы убедить папу не увязывать божественное творение с Большим взрывом. Леметр был убежден, что подобным образом смешивать науку и религию глупо и неоправданно: Библия ничего не знает о физике, а физика ничего не знает о Боге. Пий XII согласился с его аргументацией, и католическая церковь никогда больше не делала публичных заявлений по этому вопросу. Не каждому выпадает честь опровергнуть папу.

И конечно, на этот раз Леметр тоже был прав: сегодня много говорят о том, что Большой взрыв — это не настоящее начало, что до него могла существовать другая вселенная. Только подумайте, в каком неудобном положении оказалась бы сегодня католическая церковь, если бы приняла официальную доктрину, что Большой взрыв и Творение — одно и то же. «Да будет свет!» превратилось бы во «Включите свет снова!».

Состязаться с Эйнштейном и папой, убеждая их, что они ошибаются, и оба раза оказаться правым — это впечатляющий результат. «Мастер» оправдал свое имя.

Сегодняшние данные не оставляют сомнений: Вселенная в далеком прошлом была чрезвычайно горячей и чрезвычайно плотной, и с тех пор она расширяется. Мы можем в деталях реконструировать историю Вселенной, начиная с ее первичного горячего и плотного состояния. Мы знаем, как образовались атомы, элементы, галактики и звезды и как развивалась известная нам Вселенная. Недавние тщательные наблюдения излучения, которое заполняет Вселенную, выполненные спутником Planck, вновь в полном объеме подтвердили теорию Большого взрыва. Мы знаем с высокой степенью уверенности, что происходило с крупномасштабной структурой нашей Вселенной в течение последних 14 миллиардов лет, начиная с того момента, когда она была огненным сгустком.

Задумайтесь: первоначально выражение «теория Большого взрыва» было вброшено оппонентами теории, чтобы высмеять идею, которая казалась абсурдной... А в итоге мы все убеждены в том, что 14 миллиардов лет назад Вселенная была плотным огненным сгустком.

Но что же было до этого начального горячего и плотного состояния?

Возвращаясь назад во времени, мы видим, что температура растет наряду с плотностью вещества и энергии. В некоторый момент они достигают планковского масштаба — 14 миллиардов лет назад. В этой точке уравнения общей теории относительности перестают работать, поскольку больше нельзя игнорировать квантовую механику. Мы попадаем в царство квантовой гравитации.

Квантовая космология

Для понимания того, что случилось 14 миллиардов лет назад, нам нужна квантовая гравитация. Что петлевая теория говорит нам по этому вопросу?

Рассмотрим аналогичную, но более простую ситуацию. Согласно классической механике, электрон, падающий прямо на атомное ядро, должен быть поглощен им и исчезнуть. Но в реальности все происходит иначе. Классическая механика неполна, и необходимо принимать во внимание квантовые эффекты. Реальный электрон — это квантовый объект, и он не движется по точной траектории: его невозможно удержать в слишком малой области. Чем больше его сжимают, тем быстрее он ускользает. Если мы хотим остановить его возле ядра, то самое большее, что можно сделать, это вынудить его занять орбиту, соответствующую по размерам самой маленькой атомной орбитали: ближе к ядру он держаться не может. Квантовая механика не позволяет реальному электрону упасть в ядро. Квантовое отталкивание выталкивает электрон, когда он оказывается слишком близко к центру. Таким образом, материя оказывается устойчивой благодаря квантовой механике. Без нее электроны падали бы в ядра, атомов бы не существовало, а значит, и нас тоже.

То же самое происходит со Вселенной. Представим себе Вселенную, сжимающуюся и становящуюся чрезвычайно маленькой, сжатой под действием собственного веса. Согласно уравнениям Эйнштейна, Вселенная сжималась бы до бесконечности и полностью исчезла бы в центральной точке подобно электрону, падающему в ядро. Таков Большой взрыв, предсказываемый эйнштейновскими уравнениями, если мы игнорируем квантовую механику.

Но если принять во внимание квантовую механику, то Вселенная не может бесконечно сжиматься. Квантовое отталкивание заставляет ее отскакивать. Сжимающаяся Вселенная не коллапсирует в точку — она отскакивает и вновь начинает расширяться, как если бы она возникла в космическом взрыве.

Большой отскок Вселенной в графическом представлении Франчески Видотто, итальянского ученого, впервые использовавшего спиновую пену для расчета вероятности этого процесса

Франческа Видотто/ИД «Питер»

Прошлое нашей Вселенной, таким образом, вполне может быть результатом такого гигантского отскока. Его, в отличие от Большого взрыва, называют Большим отскоком. По-видимому, он вытекает из уравнений петлевой квантовой теории гравитации, когда они применяются к расширению Вселенной.

Эту картину отскока не следует воспринимать буквально. Возвращаясь к примеру с электроном, вспомним, что если мы хотим поместить электрон как можно ближе к атому, электрон перестает быть частицей; вместо этого о нем следует думать как об облаке вероятностей. Точное положение больше не имеет смысла для электрона. То же самое и для Вселенной: мы не можем больше думать о едином, пусть и зернистом, пространстве-времени, но только о размазанном облаке вероятностей, в котором время и пространство бешено флуктуируют. При Большом отскоке мир растекается роящимся облаком вероятностей, которые по-прежнему можно описывать уравнениями.

Наша Вселенная, таким образом, может быть результатом коллапса предыдущей сжимающейся вселенной, прошедшей через квантовую фазу, в которой пространство и время растворяются в вероятностях.

Слово «вселенная» становится неоднозначным. Если «вселенная» означает «все, что существует», то, по определению, другой вселенной быть не может. Но в космологии за словом «вселенная» закрепилось другое значение — оно обозначает пространственно-временной континуум, который мы непосредственно видим вокруг себя, заполненный галактиками, форму и историю которых мы наблюдаем. Нет оснований для уверенности, что в этом смысле данная Вселенная — единственная существующая. Мы можем реконструировать прошлое вплоть до времени, когда, по представлению Джона Уилера, пространственно-временной континуум распадается, подобно морской пене, и фрагментируется в квантовое облако вероятностей, и нет причин отбрасывать возможность, что за этой горячей пеной может быть другой пространственно-временной континуум, подобный тому, который мы воспринимаем вокруг себя.

Вероятность для Вселенной пройти фазу Большого отскока, перейдя от сжатия к расширению, можно рассчитать с помощью <…> метода пространственно-временных коробок. Уже выполнены расчеты с использованием спиновой пены, которая связывает сжимающуюся вселенную с расширяющейся.

Все это пока находится на стадии рекогносцировочных изысканий, но замечательным является тот факт, что у нас сегодня есть уравнения, с помощью которых можно описывать такие события. Мы начинаем осторожно, чисто теоретически, заглядывать по ту сторону Большого взрыва.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.