Вселенная как феникс

Stars of a planet and galaxy in a free space «Elements of this image furnished by NASA»

Какие законы управляют Вселенной, из чего она состоит, как родилась и какая судьба ее ждет? На протяжении веков величайшие умы человечества пытались найти ответы на эти вопросы. С новыми открытиями появлялись и новые теории. Хочется помечтать об идеальной космологической супермодели, состоящей только из известных частиц и полей, подчиняющейся лишь теориям, которые подтверждены на опыте. А может, это не такая уж несбыточная мечта? Чтобы ответить на этот вопрос, мы начнем с истоков. А в следующем выпуске журнала обсудим удивительную космологическую модель, по которой Вселенная на 99% состоит из гравитационных волн.

Краткая история наблюдательной космологии

Иммануил Кант был гениальным астрономом. Современная теория происхождения планет носит имя Канта–Лапласа. Расслоение колец Сатурна на тонкие колечки из-за столкновений частиц Кант предсказал за 230 лет до фотографий «Вояджеров». Опередив общее мнение на 170 лет, он не сомневался, что Млечный Путь — это всего лишь одна из многих галактик.

«Дайте мне материю, и я построю из нее мир», — гордо сказал космолог Кант, считавший, что космические миры находятся в состоянии непрерывного образования и гибели, а волна рождения миров идет от центра Вселенной к ее периферии. Кант наслаждался размышлениями о Вселенной, «когда через всю бесконечность времен и пространств мы следим за этим фениксом природы, который лишь затем сжигает себя, чтобы вновь возродиться юным из пепла…»

Астрономические исследования начинаются с определения расстояния до объекта и его скорости. Современная космология родилась в работе Генриетты Ливитт, которая в 1908 году нашла способ измерения космических расстояний с помощью пульсирующих звезд-цефеид. Весто Слайфер в 1913 году с помощью эффекта Допплера впервые измерил скорость не отдельной звезды, а целой галактики — Туманности Андромеды. Через год на собрании Американского астрономического общества он сообщил, что из пятнадцати исследованных им туманностей двенадцать разбегаются от Земли в разные стороны. Зал встал и устроил Слайферу овацию. Ему аплодировал и Эдвин Хаббл — молодой студент, только что принятый в ряды астрономов. В 1927 году Жорж Леметр, а через два года — Хаббл установили, что скорость разбегания галактик пропорциональна расстоянию до них. Международный астрономический союз назвал этот закон именем Хаббла–Леметра. Эти достижения наблюдательной космологии первой половины ХХ века дополняются работой Фрица Цвикки, который в 1937 году обнаружил, что основная масса Вселенной содержится в виде темной материи.

Туманность Андромеды

В 1965 году Арно Пензиас и Роберт Вильсон открыли фоновое свечение неба с температурой около 3 кельвинов. В 1994 году группа спутника COBE под руководством Джона Мазера и Джорджа Смута с высокой точностью измерила это свечение. Было доказано, что оно является излучением черного тела и имеет степень однородности по небосводу до сотой доли процента. Позже группы наблюдателей во главе с Солом Перлмуттером, Брайаном Шмидтом и Адамом Риссом усовершенствовали метод измерения больших космических расстояний по вспышкам сверхновых и обнаружили, что Вселенная расширяется с ускорением. За эти результаты Пензиасу и Вильсону, Мазеру и Смуту, Перлмуттеру, Шмидту и Риссу присудили Нобелевские премии.

Краткая история теоретической космологии

Современная теоретическая космология началась в 1915 году, когда Альберт Эйнштейн записал уравнения общей теории относительности (ОТО). Спустя два года он построил стационарную модель Вселенной, введя гипотетическую космологическую постоянную, описывающую антигравитацию. Александр Фридман в 1922 году показал, что стационарная модель Эйнштейна нестабильна, и описал расширяющуюся, сжимающуюся и циклическую модели Вселенной без космологической постоянной. Циклическая модель Вселенной была красива и очень напоминала «феникса» кантианской вселенной. Но Ричард Толмен в 1934 году указал, что циклические модели сталкиваются с проблемой роста энтропии, которая, по второму закону термодинамики, должна нарастать от цикла к циклу, разрушая идеальную периодичность.

Этапы развития Вселенной

В 1948 году советский и американский физик-теоретик Георгий Гамов ввел понятие Большого Взрыва как начала расширения Вселенной в виде горячего облака из смеси нейтронов, протонов, электронов и квантов света. В том же году Гамов, его студент Альфер и молодой ученый Херман предсказали тепловое реликтовое излучение, оставшееся после остывания Вселенной, и оценили его температуру в несколько кельвинов. В книге «Создание Вселенной».

Гамов писал: «Большое Сжатие, которое имело место в ранней истории нашей Вселенной, было результатом коллапса, который случился в еще более раннюю эру. Нынешнее расширение есть просто «упругий отскок», который начался, как только была достигнута максимально возможная плотность».

Концепция Вселенной, расширяющейся после сильного сжатия, безусловно красива, но механизм «упругого отскока» был неизвестен.

Проблема энтропии снималась в модели отскока тем, что она рассматривала половину космологического цикла (сжатие и расширение) и не волновалась о накоплении энтропии.

Космология отскока изящно решала проблему тяжелых ядер, накопленных в предыдущем цикле: когда Вселенная сжималась в 10 миллиардов раз — примерно до нескольких световых лет в диаметре, то температура реликтовых фотонов вырастала от 3 кельвинов (–270°C) до 30 миллиардов градусов. Такие гамма-кванты разбивали все атомные ядра, возникшие в ходе прошлой эволюции Вселенной, до уровня протонов и нейтронов (эффект фотодиссоциации). По-кантиански поэтично выразился Роберт Дикке с соавторами в 1965 году: фотоны перерабатывают «пепел предыдущего цикла». Поэтому расширение Вселенной после упругого отскока происходило со свежим набором барионов, готовым к созданию звезд.

Природа упругого отскока Вселенной, или Большого Взрыва — это, пожалуй, самая интригующая загадка современной физики. Действительно, упругий отскок мяча нам понятен. А если взять десятикилограммовую гирю и бросить ее на землю, то отскока не получится — только вмятина на асфальте (лишь бы не на ботинке). Хороший инженер может построить устройство, которое сохранит энергию падающего тела и позволит гире отскочить. Но вряд ли он возьмется за создание пружины для отскока многотонного камня, падающего со скоростью звука. Что же говорить о падении Вселенной — объекта весом в 1050 тонн, который двигается со скоростью, близкой к скорости света? Какой естественный механизм может вызвать остановку и отскок такой массы?

Время квантовых джиннов

В середине 70-х годов была успешно создана Стандартная модель элементарных частиц, которая опровергла все альтернативные теории. Квантовые теоретики стали искать новые пути применения своих знаний. В 1981 году появилась статья Алана Гута про инфляционную модель расширения Вселенной — и в космологию хлынули специалисты по квантовым полям. Они отказались как от циклической модели мира, так и от космологии отскока и совместными усилиями развили одноразовую модель Вселенной, урезанную до четверти цикла и вырастающую из квантовой микрочастицы. Для объяснения причины Большого Взрыва смелые квантовые физики поступили, как сказочный Алладин: они потерли волшебную лампу и вызвали могущественного джинна, которого назвали Инфлантон. Это гипотетическое квантовое поле, которое вызывает ускоренное расширение Вселенной на первых долях секунды и увеличение ее до макроскопических размеров.

Проблему темной материи квантовые космологи решили аналогично, вызвав второго джинна, которого назвали Вимп. Вимп (или Аксион) — это неизвестная частица вне Стандартной модели, которая должна ответить за феномен темной материи. Эту темную частицу безрезультатно ищут уже больше двадцати лет в космических, наземных и подземных обсерваториях, потратив на это несколько миллиардов долларов.

Когда в 1998 году наблюдатели открыли современное ускоренное расширение Вселенной, то квантовые космологи прибегли к испытанному средству. Они вызвали третьего волшебного джинна, у которого много звучных имен, например, Квинтэссенция, но чаще его называют Темной Энергией. Попытки получить этого джина не из лампы, а из квантовой теории приводят к ошибке на 120 порядков.

Третий джинн переполнил чашу терпения многих ученых. В последние годы недовольство квантовой космологией, использующей множество гипотетических допущений, выросло настолько, что некоторые еретики даже перестали называть ее наукой — и среди них такие фигуры, как Пол Стейнхард, отец-основатель теории инфляции и эйнштейновский профессор Принстонского университета, и Абрахам Лоеб, главный астроном Гарвардского университета. Возникло сразу несколько космологий, альтернативных теории инфляции, в том числе реанимировались и циклические модели Вселенной.

Мечта о супермодели

Попробуем представить себе идеальную космологическую модель или «супермодель». ОТО, космология, квантовая механика, геология, термодинамика и планетология — среди этих научных дисциплин три являются фундаментальными теориями, а три — о конкретных объектах. По канонам научных исследований, в них не требуется создания новых фундаментальных теорий, они должны применить уже существующие теории к полному описанию объекта. Конечно, в ходе этого описания можно наткнуться на необъяснимый феномен — типа аномальной (для ньютоновской теории) прецессии орбиты Меркурия, обнаруженной в XIX веке и инициировавшей создание эйнштейновской теории гравитации. Но те же самые каноны требуют, чтобы для описания объектов, даже таких, как Вселенная, возможности известных и экспериментально подтвержденных теорий были использованы до конца. Можно ли построить модель Вселенной, используя только существующие теории? Многие ответят категорично «нет!», но научные вопросы общим голосованием никогда не решаются.

Итак, космологическая супермодель должна объяснить три главных загадки: раскрыть механизм Большого Взрыва, объяснить феномены темной энергии и темной материи. Она должна базироваться, в первую очередь, на ОТО, потому что других теорий гравитации, подтвержденных на эксперименте, не существует. В микромасштабах она должна следовать обычной квантовой механике и Стандартной теории элементарных частиц. Это означает, что никаких неизвестных неоткрытых частиц или неоткрытых квантовых полей предполагать нельзя, равно как и загадочных фазовых переходов в масштабах Вселенной, а также новых пространственных измерений, параллельных миров и прочих чудес, неизвестных современной экспериментальной науке. Следовательно, Вселенная должна состоять из уже известных компонент: протонов, нейтронов, электронов, нейтрино, фотонов и небольшого количества других элементарных частиц. Наблюдения уверенно определяют концентрацию каждого указанного компонента Вселенной. Есть только две составляющие мира, которые известны плохо: черные дыры и гравитационные волны, которые наблюдать очень трудно. Поэтому в космологической супермодели допустимы вариации количества черных дыр и гравитационных волн.

Какие еще есть возможности для интеллектуального маневра? Определенная свобода интерпретации существующих теорий. Например, в общей теории относительности сто лет обсуждается проблема нетензорности гравитационной энергии. Мнения ученых разделились: большинство считает, что, несмотря на этот явный дефект, гравитационные волны равноправны электромагнитным и сами порождают гравитационное поле, но меньшинство считает, что гравитационные волны, в отличие от электромагнитных, не могут служить источником нового гравитационного поля. Обе группы представлены видными специалистами и нобелевскими лауреатами. Сам Эйнштейн до 1916 года примыкал к первой группе, а после 1916 года — ко второй.

Визуализация моделирования сливающихся черных дыр, излучающих гравитационные волны. © NASA/Ames Research CenterC. Henze

Теоретическими аргументами трудно решить этот спор, который относится к аксиоматике общей теории относительности или к рецептуре применения уравнений Эйнштейна. Безусловно, космологическая супермодель может использовать различие в подобных интерпретациях — и успех одной из них станет ее подтверждением. Немаловажно, чтобы эти интерпретации не принадлежали космологам и не подгонялись под их желания, а существовали независимо в научном сообществе физиков. Можно ли создать космологическую супермодель, связав себя по рукам и ногам такими жесткими условиями? Будет ли эта супермодель циклическим фениксом кантианской космологии? Помогут ли здесь новые открытия в области гравитационных волн и черных дыр, которые потрясли научный мир в 2016 году?

«За науку»