Текст книги "Вселенная в электроне"

Автор книги: Владилен Барашенков

сообщить о нарушении

Текущая страница: 11 (всего у книги 18 страниц)

В поисках новой «теории мира»

Первый существенный шаг в усовершенствовании теорий Фридмана сделал американский физик Алан Гут. Он обратил внимание на то, что если Вселенная будет расширяться таким образом, что плотность ее массы все время останется постоянной, то формулы общей теории относительности приводят к выводу: скорость расширения будет расти пропорционально размеру Вселенной. Чем больше Вселенная, тем быстрее она «распухает». Такой процесс происходит настолько быстро, что Вселенная почти мгновенно, всего лишь за 10^-32 секунд, раздувается от микроскопического зернышка до чудовищного «пузыря» с радиусом на много-много порядков больше видимой части Вселенной.

Представьте себе арбуз, который мгновенно распухнет до размеров Галактики. Раздувание «пузыря» Вселенной еще грандиознее!

Можно предположить, что подобно тому как это происходит с расширяющимся газом, температура расширяющейся Вселенной резко упадет, и из первичной материи начнут выделяться кварки, глюоны и другие частицы «обычного» вещества с известными нам свойствами. Расширение Вселенной замедлится, и дальнейшая эволюция каждого ее участка будет совершаться уже по стандартному сценарию Фридмана. Вселенная Гута оказывается практически бесконечной, а видимая нами часть пространства (то, что до сих пор считалось почти всей Вселенной) – лишь ничтожно малая ее доля. Настолько малая, что геометрический квант занимает в ней несравненно больше места, чем она сама в раздувшейся Вселенной.

Предложенный Гутом сценарий развития Вселенной, хотя и выглядит весьма «сумасшедшим» (разве может быть вещество, которое не уменьшает своей плотности?!), позволял, однако, устранить практически все трудности теории Фридмана. В начале «эры быстрого раздувания» – этот термин сегодня используют все астрономы и физики – Вселенная могла быть такой маленькой, что в результате перемешивания и многочисленных взаимодействий ее частей в ней успело установиться равновесие – однородное распределение температуры, плотности и других свойств, как это и наблюдается сегодня. Этого не могло бы произойти, если бы на всех этапах своего развития Вселенная описывалась теорией Фридмана. Обратный пересчет с помощью ее формул приводит к выводу, что радиус Вселенной всегда был слишком большим и взаимодействия не успевали передаваться с одного ее края на другой, – край отодвигался раньше, чем до него доходила волна взаимодействия. Как будто вы бежите по платформе, которая движется быстрее вас, и вы никогда не добежите до ее края – она все время уходит из-под ваших ног. Другое дело – модель Гута. Там видимая нами часть Вселенной образуется путем фридманского распухания крошечного участка уже раздувшейся Вселенной, и о ее начальных размерах можно делать различные предположения, в том числе считать их очень маленькими.

Понятным становится и то, почему наш мир плоский. Он лишь исчезающее малая точка в масштабах всей Вселенной, а на малых расстояниях кривизна не заметна. Это подобно тому, как мы не ощущаем кривизну земного шара в нашей повседневной жизни.

Магнитные частицы-монополи, рождение которых предсказывается теорией на очень ранних этапах «Биг Бэнга», значительно раньше рождения протонов, нейтронов и электронов, разбросаны по огромному объему раздувшейся Вселенной, и вероятность найти их в ее видимой части неизмеримо мала.

Как видим, концы с концами теперь сходятся. Космологическая картина мира заметно прояснилась. Если бы вот только не гипотеза о расширяющемся веществе с постоянной плотностью… Как совместить ее с законами физики? Ведь ничего подобного нигде и никогда не наблюдалось. Когда тело увеличивает свои размеры, его масса распределяется по большему объему, расстояния между его частями увеличиваются, а плотность всегда уменьшается. Даже дерзким на выдумки писателям-фантастам не приходило такое в голову – расширяться, не изменяя своей плотности! Пожалуй, только пустое пространство – вакуум – обладает необходимым свойством.

Стоп… Вот тут-то, по-видимому, и скрыт ответ. Мы уже знаем, что вакуум – это не просто мертвая пустота. Это – пространство, заполненное массой рождающихся и быстро исчезающих, аннигилирующих, частиц, то есть определенное состояние материи. Не похожее на газ, жидкость или твердое тело, но тем не менее это нечто физически ощутимое, изменяющее свои свойства в зависимости от условий. Пространство только издали выглядит пустым и безжизненным, вблизи же, при большом увеличении, оно оказывается заполненным бурлящими «воронками» мгновенных микровзрывов, в которых беззвучно рождаются и исчезают частицы. Пространство как бы «дышит» всеми своими «порами», испуская и поглощая «смог» микрочастиц. Можно сказать, что вакуум – это непустая пустота, хотя это и звучит парадоксально.

Первый миг после рождения

В этот исчезающе малый отрезок времени как раз и происходило становление вакуума. Чтобы понять, как это было, вспомним о хиггсонах – семействе элементарных частиц, – которые предсказываются всеми теориями, объединяющими электромагнитные силы с другими типами взаимодействий. Пока не известны ни масса, ни другие свойства этих частиц, все это зависит от варианта теории. Даже число хиггсонов изменяется от одного варианта теории к другому. Но все варианты предсказывают, что хиггсоны взаимодействуют между собой напрямую, без посредства других типов частиц. Такое самодействие, соответствующий ему «смог» и определяют основные свойства вакуума, в том числе и его энергию. В зависимости от того, как взаимодействуют хиггсоны, вакуум может находиться в различных состояниях, подобно тому как, например, углерод может пребывать в состоянии графита или в состоянии алмаза. И вот что важно: увеличение числа хиггсонов приводит к такой перестройке вакуума, что его энергия (нулевой «уровень» мира) понижается, а разность конечной и начальной энергий выделяется в виде массы и тепловой энергии элементарных частиц. Пустой мир заполняется веществом. Похоже на выпадение тумана или инея из прозрачного воздуха.

Так вот, расширение юной Вселенной сразу после ее рождения привело к тому, что плотность массы в ней быстро упала почти до нуля. По оценкам теоретиков это произошло где-то на уровне 10^-35 секунд. В это время она была еще чрезвычайно горячей, и происходившие в ней физические процессы управлялись законами единого нерасщепленного взаимодействия. Как говорит теория, хиггсоны при этих условиях распадались, едва успев образоваться. Они становятся устойчивыми только тогда, когда «сильная» компонента единого взаимодействия отличается от остальных; если же различные типы сил равноправны, хиггсонов в пространстве практически нет.

Опустевшая Вселенная мгновенно начала раздуваться, увеличив свои размеры на десятки порядков. Температура ее быстро уменьшалась, и где-то ближе к середине эры быстрого раздувания она стала такой, что нарушилась симметрия взаимодействий и создались условия для интенсивного рождения хиггсонов. Это сопровождалось снижением энергии вакуума и, соответственно, выпадением (кристаллизацией) огромного числа протонов, нейтронов, частиц-гиперонов, различных типов мезонов. Вследствие изменения уровня вакуума средняя плотность свободной (плавающей в вакууме) массы подскочила на сотню порядков – увеличилась в 10¹⁰⁰ раз! Из вещества, которое возникло буквально из пустоты, в дальнейшем образовались все галактики, звезды, планеты окружающего нас мира. Каких только чудес не открывает физика!

Это весьма грубая картина того, что происходило в действительности, но она позволяет наглядно представить себе суть дела. Обоснованием этих соображений занималась большая группа советских и зарубежных физиков, но основной вклад внесли теоретики Физического института им. П. Н. Лебедева в Москве.

Продолжительность эры быстрого раздувания составляла всего 10^-32 секунд – трудно вообразимый миг, но он в тысячу раз дольше всей предшествующей жизни Вселенной. И подобно тому как это всегда происходит при выделении из расплава твердого вещества, рождение частиц сопровождалось выделением тепла (вспомним, как мы радуемся повышению температуры, когда на улице идет снег и мороз сменяется мягкой погодой!). К концу эры быстрого раздувания Вселенная снова раскалилась настолько, что родившиеся частицы расплавились в кварк-глюониую плазму. Образовался огромный шар раскаленного вещества. Это как раз и есть тот горячий «праисторический мир» Гамова, в котором при дальнейшем уже сравнительно медленном расширении Вселенной по стандартному фридмановскому сценарию «сварилось» окружающее нас вещество.

Новый космологический сценарий не перечеркнул и не отбросил теорию Фридмана, он включил ее как необходимый фрагмент, описывающий более позднюю стадию развития Вселенной.

История Вселенной

Новая теория рассказывает нам о событиях во Вселенной, начиная с 10^-42 – 10^-40 секунд после ее рождения, когда размеры мира были немногим больше геометрического кванта или около того. Что было еще раньше, как произошло рождение Вселенной – об этом можно лишь гадать. Это тайна тайн. Можно лишь утверждать, что материя заведомо не могла возникнуть «из ничего», и рождению «нашего мира» предшествовали какие-то другие его состояния.

Когда говорят, что Вселенная родилась столько-то лет тому назад, молчаливо предполагается, что тогда время можно было измерять по тем же часам, что и сегодня. А это не так. В окрестностях «Биг Бэнга» свойства времени, его ритм были совсем иными. Говорить о первых мгновениях жизни Вселенной, о времени в окрестностях ее начала, где оно, по-видимому, распадалось на отдельные порции – кванты, а возможно, было даже многомерным, можно лишь весьма условно. Как метко заметил английский физик Стив Хоукинг, спрашивать, что было раньше «Биг Бэнга» – например сорок или пятьдесят миллиардов лет назад, – так же неразумно, как просить указать точку, которая на километр севернее Северного полюса. Подобно тому как понятие «север» теряет всякий смысл на полюсе, так и понятие «время» утрачивает смысл в точке «Биг Бэнга».

Сегодня ясно одно: в окрестностях «начала мира» действовали какие-то особые, неизвестные нам законы природы. Наша физика там не применима, она дает бессмысленные результаты: нули и бесконечности.

В еще совсем недавно изданных книгах можно прочитать, что мы многое узнаем о механизме рождения мира, когда заглянем на край расширяющейся Вселенной, на расстояния порядка 10²³ километров, где находятся разлетающиеся осколки ее горячей фазы. Однако теория раздувающейся Вселенной убеждает нас в том, что там можно увидеть лишь следы ее повторного разогрева. О том, что происходило раньше, может рассказать пока только теория.

Впрочем, положение не безнадежно. Ведь научились же определять химический состав удаленных звезд! А ведь было время, когда считалось, что это принципиально невозможно. Немецкий философ Иммануил Кант приводил это даже как пример вопроса, который никогда не найдет ответа. Развитие спектрального анализа обнаружило следы, говорящие о составе звезд, о свойствах испускаемого ими света. В природе все взаимосвязано. Вполне возможно, что следы рождения мира сохранились в каких-то явлениях. Все происходящее в мире оставляет свои «отпечатки пальцев», надо только уметь их разглядеть.

Если верить теории, то основная история Вселенной, наиболее бурные качественные изменения в ней приходятся на несколько первых секунд ее жизни, а теперь мы наблюдаем лишь плавно затухающие последствия (как говорят физики, «хвост») грандиозных событий.

Таинственные события вблизи «Биг Бэнга», распухание Вселенной, выделение заполняющего ее вещества из вакуума и его разогрев, превративший мир в гигантский огненный шар, – все это успело произойти за 10^-32 секунд. Родившиеся из вакуума частицы «расплавились» (точнее, распались на составляющие элементы) и снова стали выпадать в осадок из «расплава» лишь после того, как Вселенная несколько остыла. Сначала образовались очень тяжелые частицы, для которых требуется много энергии, потом все более и более легкие. А когда плотность вещества снизилась до уровня, который существует в атомных ядрах (это в десять тысяч миллиардов раз больше плотности стали!), образовались протоны, нейтроны и соответствующие античастицы. Это случилось примерно через десятитысячную долю секунды после «Биг Бэнга». Какая-то часть образовавшегося таким образом ядерного вещества аннигилировала и превратилась в более легкие частицы и электромагнитное излучение, а оставшаяся часть вскоре распалась на ядра и антиядра. Вселенная превратилась в раскаленную плазму – состояние вещества, которое ученые сегодня стараются создать в реакторах для получения термоядерной энергии. Постепенно охлаждаясь, плазма испускала сначала свет, затем инфракрасное тепловое излучение, как стенка нагретой печки. На этой стадии физические процессы стали медленными. Остаточное тепловое излучение охладившейся Вселенной, которое фиксируют наши приборы в космосе, было испущено, когда ее возраст составлял уже около сотни тысяч лет. Галактики и звездные системы образовались еще позднее, через несколько миллиардов лет после «Биг Бэнга». По сравнению с сегодняшним возрастом Вселенной в пятнадцать – двадцать миллиардов лет, это уже совсем недавно. В космическом масштабе, конечно.

По мере старения Вселенной событий в ней происходит все меньше, их разделяют огромные интервалы времени. А что будет дальше, например, через сто миллиардов лет? Будут ли какие-то качественно иные фазы в развитии нашего мира? Что его ждет?

Через много-много лет

Сто миллиардов лет – чудовищный интервал времени, впятеро больший того, что уже прожила Вселенная. Тем не менее за это время в ней мало что изменится. Раз в десять увеличатся ее размеры и возрастут расстояния между галактиками и звездами – вот, пожалуй, и все. Существенные изменения произойдут, лишь когда возраст Вселенной увеличится еще в тысячу раз, то есть достигнет умопомрачительной величины в сто триллионов лет. К этому времени звезды исчерпают запасенное в них ядерное горючее, и Вселенная станет темной, похожей на большой зал, в котором потухли все электрические лампочки. Как после бала.

В течение следующего триллиона триллионов лет в результате случайных столкновений – подобно тому, как это происходит с частицами газового облака – большинство звезд покинут свои галактики и рассеются в пространстве. А немногие оставшиеся в результате взаимного притяжения слипнутся в тяжелые, массивные комки, которые под влиянием их собственного внутреннего тяготения сожмутся затем в черные дыры. Вселенная в это время будет представлять собой огромный шар звездного «газа» с островками медленно засасывающих его черных дыр. А далее самым важным процессом станет радиоактивный распад протонов. Когда Вселенная проживет 10³² – 10³⁵ лет, все рассеявшиеся звезды, межзвездная пыль – вообще все вещество, которое не успело утонуть в черных дырах, распадется, превратившись в разреженный газ легких частиц – электронов, позитронов, нейтрино и фотонов. В таком состоянии – редко разбросанные по пространству черные дыры и лептон-фотонный газ между ними – Вселенная будет жить долго-долго, пока не достигнет возраста 10¹⁰⁰ лет. Можно сказать, что это ее основное состояние. Главными процессами в это время будут расширение Вселенной и испарение черных дыр. Через 10¹⁰⁰ лет она превратится в чрезвычайно разреженный, расширяющийся почти со скоростью света газ электрон-позитронных пар, нейтрино, фотонов.

Такая судьба ждет наш мир, если его масса недостаточна для замыкания. Вспомним, что расширение по фридмановскому сценарию началось после того, как раздувшаяся до невероятно огромных размеров Вселенная превратилась в огненный шар. Из-за случайных флюктуации плотность вещества, выделившегося в отдельных ее областях, могла быть несколько различной. Соответственно различным получился там и вакуум (ведь вещество выделилось в результате его перестройки). Вселенная стала похожей на растрескавшееся и разбухающее во все стороны печеное яблоко. Трещины разделяют области с различным вакуумом. Окружающий нас мир с привычными физическими свойствами – одна из таких областей. Это – наша Вселенная. Свойства других областей-миров, соседних с нашим и удаленных, могут быть совсем иными. Если масса нашего мира меньше критической, при котором он становится фридмоном, мир будет расширяться беспредельно. В противном случае силы всемирного тяготения остановят его расширение, и начнется обратный процесс – сжатие замкнутого мира.

Через сколько миллионов или миллиардов лет может начаться сжатие, сказать трудно. Во всяком случае, плотность материи в нашем мире весьма близка к критической. Если принять во внимание только видимое, светящееся, вещество, то его масса примерно на порядок меньше критической. С другой стороны, масса темной материи не может более чем в десять раз превосходить массу светящегося вещества, так как расширение нашего мира давно уже прекратилось бы и он начал бы сжиматься. Как видно, интервал довольно узкий. Не исключено, что скоро наш мир начнет коллапсировать. Скоро – в космическом масштабе, конечно. Реально это могут быть многие миллиарды лет. Большинство ученых склонны считать, что если это и случится, то, скорее всего, уже после распада протонов, где-то на стадии испарения черных дыр, когда возраст нашего мира составит 10⁴⁰ – 10⁵⁰ лет. До этого времени – практически бесконечность!

Сжатие, в конце концов, закончится гравитационным схлопыванием пространства и, возможно, новым циклом расширения – рождением новой Вселенной. Впрочем, что последует за сжатием, повторное «рождение» и расширение Вселенной или какая-то иная ее фаза, – это пока за пределами наших знаний.

Итак, если сила тяготения не остановит расширения, то через 10¹⁰⁰ лет, когда размеры нашей Вселенной достигнут чудовищной величины в 10¹¹⁰ километров, она полностью превратится в чрезвычайно разреженный газ легких элементарных частиц, которым распадаться уже не на что. Почти пустое мертвое пространство.

Впрочем, природа в многообразии своих свойств превосходит любую человеческую фантазию, поэтому не исключено (а с философской точки зрения, даже очень вероятно!), что какие-то неизвестные нам процессы воспрепятствуют осуществлению безрадостной картины полностью омертвевшего мира. Но это опять за пределами наших знаний.

Как иронически заметил однажды знаменитый английский писатель Бернард Шоу, наука всегда оказывается неправа; она никогда не решает вопроса, не поставив при этом десятка новых. Чем больше мы узнаем, тем больше возникает трудных вопросов. Не зря великий Ньютон говорил, что чувствует себя ребенком, играющим в камешки на берегу океана неизвестного!

Один из самых трудных, не имеющих еще окончательного ответа вопросов – проблема антимира.

Существует ли антимир?

Мы познакомились с современной теорией развития Вселенной, начиная от загадочного Большого взрыва – «Биг Бэнга» – и до фантастически далекого будущего. Но вот что удивляет: хотя частицы и античастицы совершенно равноправны по своим свойствам и поэтому должны были бы в одинаковой пропорции рождаться из вакуума раздувшейся Вселенной, окружающий нас мир почему-то целиком состоит из вещества. Почему все атомы вокруг нас устроены так, что их ядро обязательно состоит из протонов и нейтронов, а оболочка – из электронов? Ведь если атомы антивещества удается синтезировать в лаборатории, то они должны быть и в дикой природе. Может быть, это свойство лишь той части мира, где мы живем, а в других его областях, наоборот, преобладает антивещество? Возможно, в космических далях где-то есть симметричный нам антимир – звезды, планеты, может быть, даже живые организмы, состоящие из антивещества?

Пожалуй, единственный способ попасть в такой антимир, где наши тела мгновенно превратились бы в потоки пи-мезонов и жестких фотонов, – воспользоваться телеграфом. Еще много лет назад американский математик Норберт Винер высказал убеждение, что подобно тому, как сегодня записывается генетический код простейших микроорганизмов, когда-нибудь в будущем люди смогут в закодированном виде записать не только устройство своего тела, но и содержание мозга с содержащимися в нем впечатлениями, воспоминаниями, знаниями – все то, что составляет наше индивидуальное «я». Такую запись, как обычную телеграмму, можно передать по радио в антимир, где, пользуясь ею, заново восстановят человека, заменив, однако, все частицы на античастицы. Проект, безусловно, фантастический, но наука развивается очень быстро. Вот только существуют ли такие антимиры?

Одно время была популярна теория, согласно которой острова вещества и антивещества во Вселенной разбросаны вперемежку. Допускалось, что даже некоторые ближайшие к нам звезды в действительности – «антизвезды», а часть влетающих в земную атмосферу метеоритов состоит из антивещества, которое аннигилирует, оставляя ярко светящийся след на ночном небе. Но ни высотные самолеты, ни автоматические воздушные шары-зонды не обнаружили следов излучений, которые должны рождаться при аннигиляции.

Не зафиксировано таких излучений и в космосе, где они должны были бы рождаться на стыке зон вещества и антивещества, где перемешиваются пыль и газы, состоящие из частиц и античастиц. К этому надо добавить, что изучение состава космических лучей также дало отрицательные результаты. Эти лучи содержат протоны и ядра различных, легких и тяжелых, элементов, но в них нет большого числа антипротонов и антиядер, как это должно было бы быть, если бы острова вещества и антивещества были бы представлены в космосе на равных правах. В потоке космических частиц один антипротон приходится на несколько тысяч протонов. Это вторичные антипротоны, юнцы, родившиеся из обычного вещества в результате ядерных реакций космических лучей с облаками межзвездного газа.

Таким образом, либо антимиры находятся где-то далеко – за пределами видимости, достижимой с помощью имеющихся в нашем распоряжении приборов, – либо антивещества во Вселенной очень мало.

Если антимиры далеко, то их открытие – лишь вопрос времени. Однако это кажется маловероятным, поскольку наше положение в космосе рядовое, и было бы трудно объяснить, почему выпадение вещества и антивещества в раздувшейся Вселенной происходило так неравномерно. Остается загадкой, как в бурлящем, интенсивно перемешиваемом веществе юной Вселенной могли бы образоваться обширные неоднородности с излишком частиц или античастиц. С другой стороны, если антивещества в космосе мало, сразу же возникает вопрос: куда же оно делось? В обоих случаях появляются сомнения в правильности всей космологической картины.

По-видимому, все дело в маленьком различии скоростей распадов частиц и античастиц. Еще двадцать лет назад американские физики наблюдали распады странных частиц, К-мезонов, которые указывали на несколько различное поведение вещества и антивещества. Хотя нарушающие симметрию распады происходят крайне редко и только у К-мезонов, во всех других случаях частицы и античастицы ведут себя совершенно одинаково, теория «великого объединения», о которой шла речь в предыдущей главе, предсказывает, что в условиях сверхвысоких температур и давлений, господствовавших внутри огненного шара раздувшейся Вселенной, симметрия частиц и античастиц должна сильно нарушаться и скорости распадов всех античастиц там были несколько большими.

В обычных условиях протон и антипротон – долгожители, время их жизни фантастически велико – грубо говоря, в миллиард триллионов раз больше возраста Вселенной. Однако в первые доли секунды после образования огненного шара чрезвычайно высокая температура способствовала распадам. Частицы и античастицы тогда быстро распадались и так же быстро восстанавливались обратно. Существовало равновесие. Но по мере снижения температуры процессы восстановления все больше отставали от распадов и число тяжелых частиц уменьшалось, а поскольку античастицы распадались несколько быстрее, вещество Вселенной постепенно становилось все более и более асимметричным – «перекошенным» в сторону частиц.

Наряду с ослаблением восстановительных процессов в охлаждающейся Вселенной уменьшалась и скорость распадов, постепенно приближаясь к ее современному уровню, когда вещество обладает высокой степенью стабильности. Не успевшие распасться античастицы аннигилировали – превратились в нейтрино и электромагнитное излучение. В мире осталась лишь избыточная часть вещества. Из нее-то и образовались все атомные ядра нашей Вселенной.

Если такая картина верна, то антимиров просто нет, они давно сгорели в бурных реакциях распада и аннигиляции, и мы никогда не встретим состоящих из антивещества братьев по разуму.

Правда, предсказанного теорией «великого объединения» распада протона еще не обнаружено, и, в принципе, здесь могут быть неожиданности.