Где то во вселенной зарождаются
Сегодня с помощью телескопа «Хаббл» мы можем увидеть более 100 миллиардов галактик, и в каждой из них, возможно, сотни миллиардов звезд. Но как все это возникло? Почему есть нечто, а не ничто? Это основной вопрос для многих религий. Кажется, что такую огромную Вселенную кто-то должен был создать, что нельзя все это получить из ничего. Я хочу рассказать, почему это не так, почему все эти галактики и звезды могут возникнуть просто благодаря законам физики.
В 1926 году Эдвин Хаббл узнал, что наша Галактика — не единственная во Вселенной. А спустя еще три года он понял, что другие галактики отдаляются от нас. После этого поразительного открытия сразу стало казаться, что мы в центре Вселенной. Однако наблюдения Хаббла говорят о другом: Вселенная расширяется — неважно, из какой галактики вы за этим наблюдаете.
До 1929 года наука считала, что Вселенная статична и вечна. Но коль скоро теперь мы поняли, что она движется, то мы можем узнать, что было с ней в прошлом. У всех галактик единое начало: около 13,8 миллиарда лет назад все они были в одной точке, которую мы называем Большим взрывом. Но что станет с галактиками в будущем? Бесконечно ли расширение? Это вопрос, из-за которого я начал заниматься космологией и вообще пошел в физику.
Есть три варианта геометрии нашей Вселенной: она может быть закрытой, открытой или плоской. Имеется в виду не форма самой Вселенной, а то, как в ней выглядит плоскость, сравнимая с размером самой Вселенной. Например, если нарисовать сколь угодно большой треугольник в плоской Вселенной, то сумма его углов будет равна 180 градусам. В открытой Вселенной линии, по которым движется свет, изгибаются, поэтому сумма углов треугольника будет меньше 180 градусов. А в закрытой Вселенной сумма его углов, наоборот, будет больше 180 градусов.
Согласно теории относительности, закрытая Вселенная будет расширяться, а затем сжиматься обратно и в конце концов схлопнется, открытая Вселенная будет расширяться бесконечно, а плоская сначала будет расширяться, а затем очень постепенно замедлится и остановится. Если мы сможем определить, в какой Вселенной живем, то узнаем и наше будущее. Но как это сделать?
Темная материя
Геометрия Вселенной связана с плотностью ее вещества: если она больше определенного значения (5,5 атома водорода на кубический метр. — Прим. T&P), Вселенная закрытая, если меньше — открытая, а если равна — плоская. Соответственно, если Ω — отношение плотности Вселенной и критической плотности — больше единицы, то Вселенная закрытая, если меньше — открытая, а если равна — плоская.
В 1936 году Альберт Эйнштейн опубликовал в журнале Science статью («Линзоподобное действие звезды при отклонении света в гравитационном поле». — Прим. T&P), в которой писал, что раз пространство искривляется из-за гравитации и есть такие тяжелые объекты, как звезды, то свет, находящийся за звездой, обходит мешающие ему объекты, а пространство может выступать в роли линзы. Он пришел к этим выводам еще в 1914 году, но забыл о них, потому что считал, что это не так важно. На самом деле феномен гравитационной линзы, конечно, крайне важен.
Вследствие явления, описанного Эйнштейном, мы можем видеть на изображении выше не только отдельные галактики и их скопления, но и множественные изображения одной и той же галактики. Свет от этой галактики прошел через другую галактику, попал в гравитационную линзу и был искажен.
Мы также можем подсчитать массу галактики, которая так сильно исказила свет. Эту сложную задачу, математическую инверсию, ученые решили в конце 1990-х годов. Они получили диаграмму распределения масс, на которой галактики обозначены пиками, — но присутствуют также пики там, где галактик вроде бы не видно. Это невидимая материя, которой в 40 раз больше, чем видимой, а раз она невидима и не сияет, то ее назвали темной. Оказалось, что в галактиках гораздо больше темной материи, чем материи самих галактик.
Темная материя состоит не из обычных протонов и нейтронов, а из других элементарных частиц. Она везде, а раз так, мы можем провести эксперимент здесь, на Земле, чтобы ее найти. Можно попробовать зафиксировать взаимодействие какой-нибудь массивной темной частицы с обычной частицей. Этому мешает естественный радиационный фон, поэтому такие эксперименты проводятся глубоко под землей. В качестве мишеней используются кристаллы кремния или германия, охлажденные до 0,001°C. Такие детекторы расположены в разных частях земного шара, но пока что они не зафиксировали ничего, что можно было бы однозначно трактовать как темную материю. Можно еще попробовать создать темную материю в лабораторных условиях — для этого у нас есть Большой адронный коллайдер. Но сейчас для нас важнее не из чего состоит темная материя, а сколько она весит — коль скоро она составляет бóльшую часть массы Вселенной.
Глядя на диаграмму выше, мы можем подсчитать общую массу, массу видимых галактик и массу темной материи. Однако все обнаруженные учеными массы составляют только 30% массы, необходимой, чтобы Вселенная была плоской. Можно было бы сделать вывод, что наша Вселенная открытая и будет расширяться бесконечно. Но здесь есть подвох: все эти подсчеты касаются только галактик и их скоплений. А то, что находится между ними, мы взвесить не можем. Так что нам нужен какой-нибудь другой объект для измерения.
Геометрия Вселенной
Когда мы глядим на Вселенную, то чем дальше смотрим, тем в более глубокое прошлое заглядываем. Можно было бы предположить, что где-то там виден и Большой взрыв, — но между нами и Большим взрывом стена. В самом начале Вселенная была настолько жаркой и плотной, что свет не мог покинуть ее. Потом Вселенная постепенно охлаждалась и, когда ей было 379 тысяч лет, стала электрически нейтральной (замедлившиеся электроны начали соединяться с протонами и , образуя атомы водорода и гелия. — Прим. T&P) и прозрачной. Этот момент — самая ранняя точка, которую мы видим, оглядываясь назад во времени. Вот так она выглядела (это проекция Мольвейде, которая также часто используется в картографии):
Реликтовое излучение, которое фиксируют детекторы, находящиеся на Земле, исходит от условной поверхности последнего рассеяния, которое видится нам как окружающая нас на очень далеком расстоянии сфера. На этой поверхности видны более горячие участки — там, где 379 тысяч лет назад были сгустки материи. Мы знаем их максимально возможный размер (он зависит от скорости гравитации, а ее значение равно скорости света) — 100 млн световых лет. Сравнивая эти цифры с тем, что мы наблюдаем, можно сделать вывод о том, в какой Вселенной мы живем: в закрытой Вселенной сгустки из-за искривления пространства казались бы нам меньше, чем на самом деле; в открытой — больше, а в плоской Вселенной никаких искривлений нет и сгустки выглядели бы на свои 100 млн световых лет.
Данные, полученные в ходе эксперимента BOOMERanG (Balloon Observations Of Millimetric Extragalactic Radiation and Geophysics — «Аэростат для наблюдения миллиметрового внегалактического излучения и геофизических исследований». С помощью аэростатов радиотелескоп поднимался на высоту 42 тысячи метров, где мог фиксировать реликтовое излучение без потерь, в то время как в атмосфере оно поглощается микроволнами. — Прим. T&P), соответствуют расчетам и не выявляют никакого искривления пространства. С вероятностью 99% мы живем в плоской Вселенной.
Но возникает противоречие: для плоской Вселенной, как я уже говорил, мы видим слишком мало вещества — всего 30% от необходимой массы. Где же могут быть оставшиеся 70%?
Энергия пустого пространства
В пустом пространстве, в ничто. Звучит, конечно, глупо, но пустое пространство не такое уж и пустое. Вот так выглядит то, что происходит внутри протона: постоянно что-то бурлит, появляются и исчезают различные частицы:
Мы не «видим» их, потому что они возникают на очень непродолжительное время, но при этом они составляют основную часть массы протона. А раз так, то, возможно, они появляются в открытом пространстве и дают какую-то энергию. Может быть, вакуум тоже что-то весит?
Еще когда я учился в университете, было предположение, что энергия вакуума — это единица со 120 нулями, но этого просто не может быть: будь это так, Вселенная была бы другой и нас бы просто не существовало. Мы ждали какого-то математического чуда, которое бы позволило нам сократить это число; предполагали даже, что энергия пустого пространства равна нулю. А затем решили не полагаться на теоретиков: если у пустого пространства есть энергия, ее можно измерить. Но как?
Гравитация в большинстве случаев притягивает объекты друг к другу, но вакуум создает антитяготение. Чтобы рассчитать его, необходимо понять, расширяется ли наша Вселенная с ускорением или с замедлением. Первые попытки определить это сделал Эдвин Хаббл в 1929 году, но сейчас мы знаем, что его расчеты были неверны из-за того, что, в частности, не учитывали эволюцию галактик и связанные с ней изменения светимости. Так что нам нужны были какие-то другие объекты с известной яркостью.
Это изображение галактики, расположенной в 7 млн световых лет от нас. В левом нижнем углу виден яркий объект — можно предположить, что в кадр случайно попала звезда из нашей Галактики, но нет: это сверхновая, которая светится как сто миллиардов звезд. Потом она тускнеет, но в первый месяц она светится с яркостью, которая нам известна. Сверхновые появляются в Галактике примерно раз в сто лет. Можно выдать каждому студенту по галактике, и пусть постоянно смотрит на нее — за сто лет как раз напишет диссертацию. Но на самом деле галактик очень много: если соединить пальцы в кружок размером с пятирублевую монету и посмотреть через него на небо, в этом кружочке будут сотни галактик. А значит, в небе постоянно взрываются сверхновые, так что мы легко можем использовать их, чтобы рассчитывать расстояния до отдаленных галактик и скорости, с которыми эти расстояния увеличиваются. Эти расчеты были проведены в 1998 году, и результатом стал вот такой график:
Если бы темпы расширения Вселенной были одинаковыми, то в его нижней части была бы просто прямая линия. Астрономы ожидали, что все сверхновые будут либо на этой линии, либо ниже. Но большая часть таких звезд оказалась выше линии — это могло быть только в том случае, если бы темпы расширения Вселенной увеличивались.
А чтобы Вселенная расширялась, нужно как раз столько энергии, сколько нам не хватало, — те самые 70%. Тогда все сходится. В 2011 году Нобелевскую премию по физике получили ученые, обнаружившие, что
Вселенная расширяется с ускорением, а большая часть массы находится в пустом пространстве. И мы понятия не имеем, как это возможно.
Вероятно, это как-то связано с самой природой пространства и времени и причинами возникновения Вселенной. Но теперь понятно, что ее будущее будет определяться не материей и даже не геометрией, а энергией пустого пространства.
Много шума из ничего
Что будет, если подбросить монетку? Скорее всего, она упадет, но если забросить ее достаточно далеко, она улетит и не вернется. Энергия подброшенной монетки складывается из двух величин: «положительной» кинетической энергии T = mv²/2 (где m — масса монетки, а v — скорость ее движения. — Прим. T&P) и «отрицательной» силы гравитационного притяжения U = –GMm/R (где G — гравитационная постоянная, M — масса Земли, а R — расстояние между центрами масс Земли и монетки. — Прим. T&P). В итоге все сводится к своего рода бухгалтерскому учету: если вторая величина больше первой, монетка упадет на землю, если наоборот — улетит. И если мы можем сделать подобные расчеты для монетки, значит, можем сделать их и для всей Вселенной.
На этом изображении — происхождение Вселенной:
Со всеми галактиками происходит примерно одно и то же, так что, чтобы определить их будущее, достаточно определить будущее одной из галактик — например, той, которая обозначена вопросительным знаком. Как и в случае с монеткой, энергия, с которой она движется, определяется кинетической энергией и гравитационным притяжением. Если первая больше второго, Вселенная будет расширяться бесконечно; если второе больше первой, Вселенная в конце концов схлопнется.
Оказывается, соотношение этих двух величин и есть та самая Ω, про которую мы говорили в начале (отношение плотности Вселенной к критической плотности). Мы уже знаем, что живем в плоской Вселенной, значит, Ω = 1. Следовательно, энергия, с которой Галактика удаляется от центра Вселенной, равна энергии, которая тянет ее обратно, — и это касается всех галактик во Вселенной. Получается, что их суммарная энергия равна нулю — вот что случается, если вы создаете Вселенную из ничего.
Возникнуть и не пропасть
Мы уже выяснили, что пустое пространство, которое мы сейчас наблюдаем во Вселенной, не такое уж пустое: в нем постоянно что-то бурлит, возникают и исчезают виртуальные частицы. Но откуда взялось то ничто, из которого появляются эти частицы, откуда взялось само пространство? Оказывается, при совместном действии квантовой механики и гравитации могут появляться не только частицы в пространстве, но и само пространство.
Вселенная может просто взять и появиться.
Ранее мы выяснили, что спонтанно появиться из ничего может только Вселенная, у которой общая энергия равна нулю, а это закрытая Вселенная. А еще раньше — что наша Вселенная плоская. Возникает противоречие.
Представьте себе воздушный шарик: если надуть его очень сильно, его поверхность будет казаться плоской, как кажется плоской круглая Земля (особенно если наблюдать ее где-нибудь в тундре). Если Вселенная с первых мгновений своего существования будет очень быстро расширяться, с ней произойдет то же самое — она возникнет как закрытая, а через 14 миллиардов лет станет плоской. Это резкое расширение — инфляция — описывается инфляционной моделью, которая была предложена в 1981 году физиком Аланом Гутом. Вот она на графике:
Но как доказать, что инфляция действительно имела место?
Еще в 1916 году Эйнштейн пришел к выводу, что, перемещаясь в пространстве, мы создаем гравитационные волны, так называемую рябь пространства-времени. Каждый раз, когда я двигаю рукой, появляются гравитационные волны, распространяющиеся со скоростью света. Но рябь настолько незначительна, что мы ее не замечаем. В обсерваториях в Вашингтоне и Луизиане (лазерно-интерферометрических гравитационно-волновых обсерваториях LIGO. — Прим. T&P) есть специальные детекторы, позволяющие улавливать гравитационные волны. Впервые это удалось сделать в сентябре 2015 года, когда произошло слияние двух черных дыр. За это открытие в 2017 году ученые получили Нобелевскую премию по физике.
Но это значит, что такое событие, как инфляция, также должно было породить гравитационные волны, и, если мы их обнаружим, мы подтвердим и правильность инфляционной модели (их поиском занимаются ученые в рамках серии экспериментов BICEP2. — Прим. T&P). А это будет значить, что наша Вселенная действительно могла быть произведена из ничего.
Если мы действительно находимся во Вселенной, расширяющейся с ускорением, то объекты, которые мы сейчас видим, вскоре будут находиться от нас на огромном расстоянии.
Сотни миллиардов галактик, которые мы сейчас видим, будут отдаляться от нас со скоростью больше скорости света, и мы окажемся в этом темном пустом пространстве одни. В начале было ничто, и в конце тоже будет ничто.
Мы еще не доказали, что это так, но это очень вероятно. И мне нравится эта вероятность: каждый раз, когда можно избавиться от божественного вмешательства и объяснить все с точки зрения физики, мы делаем шаг вперед. Помимо нашей Вселенной, могут существовать или прямо сейчас создаваться и другие, где действуют другие законы. Мы, люди, крайне неважная часть Вселенной, мы шум, загрязнение на ее фоне. Если вам это не нравится, возможно, вас утешит высказывание Эйнштейна:
«Самая прекрасная эмоция, которую нам дано испытать, — ощущение тайны. Это основополагающая эмоция, стоящая у истоков всякого истинного искусства и науки».
Вселенная была создана не для нас, она была просто создана. Вселенной на нас наплевать. Мы сами наполняем нашу жизнь значением и смыслом.
Вопросы и ответы
— У меня вопрос об инфляции. Вы сказали, что ее предсказали физики, которые занимаются физикой частиц. А какое отношение инфляция пространства имеет к физике частиц?
— Физика частиц говорит о том, что ранняя Вселенная претерпела переход из одного фазового состояния в другое. Когда происходит этот фазовый переход, выделяется огромное количество энергии, что и привело к инфляции.
— Предположим, что темная материя окажется все-таки частицей и мы сможем ее найти. Не окажется ли тот фундамент, на котором построена вся современная физика, ложным?
— Физика элементарных частиц предсказывает наличие большого количества различных частиц. И открытие каждой новой частицы выводит стандартную модель за прежние границы. Если мы сможем найти темную материю — да, многие наши идеи окажутся неверными, и нам придется продумать и разработать новые законы. Но ученые готовы ошибаться. Многие из нас ходят на работу для того, чтобы доказать, что другие ученые ошибаются, — именно так и приходит известность.
— Понятно, какими могут быть границы у закрытой Вселенной. Но мне не совсем понятно, какие границы у плоской Вселенной, в которой мы находимся.
— У закрытой Вселенной нет границ. Возьмите воздушный шарик, нарисуйте на нем несколько точек и надувайте. Вселенная похожа на поверхность этого шарика: она не имеет границ, при этом расширяется так, что расстояние между точками постепенно увеличивается.
— У меня вопрос, который возник при чтении книг Ричарда Докинза. Наш мозг эволюционно запрограммирован не для того, чтобы понимать Вселенную, а для того, чтобы решать бытовые вопросы. Не боитесь ли вы того, что в момент наука столкнется с границами возможностей мозга?
— Может быть. Но я не боюсь. Так же, как я не боюсь жить в этой Вселенной, у которой нет никакого назначения. Да, могут быть какие-то ограничения у человеческого мозга, но мы не узнаем наверняка до тех пор, пока не попробуем. Именно поэтому нужно постоянно пытаться. И, как я понимаю, у нас пока не получилось уткнуться в стену. Может быть, у вас будут какие-то сложности, но ваши дети и внуки смогут преодолеть их. Мы постоянно идем дальше, мы постоянно преодолеваем эти границы. Наука именно тем и занимается, что выходит за границы.
Может быть, не очень по теме, но одна из причин, по которой я занимаюсь квантовыми компьютерами и искусственным интеллектом, в том, что, может быть, они смогут объяснить нам то, что сами мы понять не можем. Многих пугает искусственный интеллект, но я думаю, что он сможет стать лучшим физиком, чем мы.
— В какой роли вы видите искусственный интеллект в вашей области?
— Понятия не имею. Я не прогнозирую ближе чем на 2 трлн лет. Каким будет будущее с искусственным интеллектом, зависит от нас. Мы должны думать о возможностях и быть готовыми к ним. Один из вариантов — что мы останемся без работы. Но зато мы сможем бесконечно ходить на научные конференции и слушать музыку. Я в данном случае пессимистически настроен, поскольку, честно говоря, не очень верю в человечество. Но посмотрим, что будет. Мы еще можем подготовиться.
— Возможно ли доказать, что мы живем в компьютерной симуляции?
— Очень многие задают этот вопрос. Ответ: скорее всего, нет.
Во-первых, компьютерная симуляция никогда не является идеальной. Есть битые пиксели, в которых не работают законы природы. Но мы такого не видим. Может быть, в голове у президента Трампа есть такие пиксели, но в большинстве остальных случаев таких пикселей не наблюдается. Все работает согласно законам природы.
Во-вторых, говоря о том, что мы внутри симуляции, мы должны задать вопрос: что нас создало? А наших создателей? Идея, что наше существование — это компьютерная симуляция, — просто еще одна версия вопроса о том, кто создал Вселенную.
Но мне как физику вообще неважно, в симуляции я или нет, — мне интересно, по каким законам она создана.
Если вы хотите доказать, что наш мир — симуляция, ищите баги в программе. Может быть, в будущем мы их найдем, пока — нет.
— Вселенная расширяется. Бесчисленное количество космических объектов отдаляются от нас все быстрее и быстрее. Значит ли это, что наши шансы найти в этой Вселенной другие цивилизации все уменьшаются и уменьшаются?
— Во-первых, до того, как другие галактики окончательно пропадут из виду, у нас еще 2 трлн лет — за это время можно найти внеземную цивилизацию. Во-вторых, даже через 2 трлн лет у нас будет наша Галактика — потому что сами галактики не расширяются.
— Если все появилось из ничего, каким образом 13 млрд лет назад это ничто решило сделать Большой взрыв? И почему Большой взрыв не происходит сейчас?
— Ответ на первый вопрос — я не знаю. Именно поэтому я занимаюсь наукой.
Что касается второго вопроса. Большие взрывы могут происходить прямо сейчас, в других пространствах. Прямо перед вами может появиться пространство, но оно очень быстро будет отделено от нашей Вселенной. В мультивселенной постоянно могут происходить большие взрывы, появляться и схлопываться вселенные.
— Не конфликтует ли то, о чем вы нам рассказали, с законом сохранения энергии?
— Честно говоря, не конфликтует. Если посмотреть на сотни миллионов звезд и галактик, то в них очень много энергии. Но нужно просто добавить в это уравнение гравитационное притяжение, и общая результирующая энергия всей нашей Вселенной, всего вещества, будет равна нулю. Таким образом, энергия сохраняется. Поразительно, да?
— Можно ли создать модель такой вселенной, законы физики в которой были бы невозможны в нашей Вселенной?
— Я именно этим чаще всего и занимаюсь. Я , я постоянно создаю модели, которые описывают разные вселенные. Нужно понимать, что в большинстве случаев я ошибаюсь. У меня были потрясающе красивые, очень хорошие теории, которые оказались неверными. Но, может быть, раз в жизни я случайно окажусь прав (как это было с идеей, что Вселенная расширяется с ускорением).
Поиск важнее, чем сама реальность. Наша жизнь похожа на миф о Сизифе, у нас нет выбора. Мы можем впасть в депрессию — а можем наслаждаться поиском.
— Если в разных вселенных образуются разные законы физики, существует ли какой-то высший закон физики над ними всеми, по которому образуются эти разные законы?
— То есть метазаконы? Может быть. Кто знает… Это возможно. В теориях, например теории струн. Но сейчас нет доказательств. Может быть, там действуют законы математики. Я не знаю, чего ожидать. Но это не доказывает, конечно же, существование какого-либо бога.
— Вы живете в стране, где политику нежелательно признаваться в том, что он атеист, для того чтобы не потерять рейтинг. А мы живем в стране, где около 70–80% людей считают себя людьми религиозными, ничего не знают и знать не хотят про теорию Большого взрыва. Как вы считаете, что должно произойти, для того чтобы расстановка сил в мире поменялась?
— Честно говоря, мне без разницы, религиозны люди или нет. Когда я вижу людей, которые считают, что миру 5 или 6 тысяч лет, я не считаю, что они глупы. Мне кажется, им просто не хватает знаний. Людям старшего поколения уже поздно меняться, но я надеюсь на молодых людей. Я хочу, чтобы молодые люди думали, а не только чувствовали. И дело даже не в фактах, потому что факты вы в большом количестве найдете в своем смартфоне — но они могут быть неверными. Самое важное — научить людей задавать вопросы и отличать истинное от ложного. Я думаю, преподавание наук в школе побуждает молодых людей к этому.
— Учитель физики в школе говорил мне, что спрашивать, чтó было до Большого взрыва — это как бы моветон, потому что в точке сингулярности не действуют законы физики. Он говорил, что все будут смеяться, если я спрошу об этом. Но при этом всю лекцию вы только об этом и говорили. Поэтому у меня вопрос: ограниченны ли вообще возможности человеческого познания?
— Вопрос хороший, но ответ вам не понравится. Нет никакого «до», потому что само время возникло во время Большого взрыва. Это очень сложно представить. Но вопрос «Что было до Большого взрыва?» может просто не иметь значения. И нашему сознанию, может быть, не хватает возможностей для того, чтобы понять этот вопрос и ответить на него.
Но я бы хотел, чтобы вы продолжали задавать вопросы и поражаться Вселенной такой, какая она есть. Неважно, если вы понимаете не все. Цените ее за то, что она больше, чем вы можете понять. Нужно постоянно смотреть вперед, потому что Вселенная нас может очень многому научить.
Литература
Краусс Л. Все из ничего. М.: Альпина нон-фикшн, 2019.
Краусс Л. Страх физики. Сферический конь в вакууме. СПб.: Питер, 2016.
Краусс Л. Почему мы существуем? Величайшая из рассказанных историй. М.: Альпина нон-фикшн, 2018.
Краусс Л. Вселенная из ничего. Почему не нужен Бог, чтобы из пустоты создать Вселенную. М.: АСТ, 2016.
Lens-Like Action of a Star by the Deviation of Light in the Gravitational Field. Albert Einstein Science, New Series, Vol. 84, No. 2188. (Dec. 4, 1936), pp. 506–507.
Благодарим Марию Ломаеву за помощь в подготовке конспекта.
Мы публикуем сокращенные записи лекций, вебинаров, подкастов — то есть устных выступлений. Мнение спикера может не совпадать с мнением редакции. Мы запрашиваем ссылки на первоисточники, но их предоставление остается на усмотрение спикера.
Источник