Текст книги ""Возможно ли образование Вселенной «из ничего»?""

Автор книги: Яков Зельдович

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 2 страниц)

О СПОНТАННОМ РОЖДЕНИИ

Знаменитый до революции юморист А. Аверченко начинал свою «Всемирную историю» словами: «История мидян темна и непонятна. Ученые делят ее, тем не менее, на три периода: первый, о котором ровно ничего не известно. Второй, который последовал за первым. И, наконец, третий период, о котором известно столько же, сколько и о первых двух».

Боюсь, что последняя часть моей статьи о ранней истории Вселенной будет похожа на древнюю историю человечества в изложении А. Аверченко. До сих пор мы выясняли только принципиальную возможность рождения Вселенной. Что можно сказать о конкретном механизме этого явления? Придется ограничиться постановкой вопросов.

Прежде всего, словом "ничего", "из ничего" можно придавать разные трактовки. Можно представить себе пустое плоское пространство Минковского – само по себе такое решение уравнений ОТО существует и оно вечное. Рождение можно было бы представить себе наподобие серии картинок (см. рис).

 

Рождение замкнутой Вселенной (шарик на последней части IV рис.) из плоского мира Минковского (М на стадии I).

На промежуточных стадиях, вдали от флуктуации, приводящей к рождению (отщеплению) шарика, метрика остается плоской («минковской»).

Надо только помнить, что в них речь идет об одномерной аналогии. Изображать рождение трехмерного замкнутого пространства (из трехмерного сечения) пространства Минковского я не умею. Время t есть параметр, отличающий одну часть картинки (I-IV) от другой. После отделения замкнутой области остающееся пространство снова плоское. Но ведь оно плоское только в классическом пределе. В действительности в квантовой теории метрика пространства тоже флуктуирует подобно тому, как осциллятор имеет определенную среднюю кинетическую и такую же потенциальную энергию, не равную нулю в нижнем энергетическом состоянии.

Таким образом, на приведенном рисунке речь идет о флуктуации – но о флуктуации настолько большой, что меняется сама топология, пространство раздваивается. Рассчитывать такие флуктуации сегодня мы не умеем. Напомню, что сами свойства вакуума (его среднюю энергию, т. е. космологическую постоянную) мы находим только из опыта.

Второй популярный вариант состоит в рассмотрении только одного замкнутого мира (без подстилающего или рождающего его пространства Минковского). Тогда до "начала" не было буквально ничего, никакой метрики, в частности не было и времени.

 

Спонтанное рождение мира «из ничего». До момента t = 0 метрика (и, в частности, время) не существовала.

Классические уравнения движения не имеют решения нужного типа. Значит, следует искать квантовомеханические решения. Задача подобна задаче об a-распаде ядра урана или радия. По классической ньютоновской механике a-частица не может пройти весь путь от ядра до бесконечности. Квантовомеханическое решение для a-частицы описывает обе области: «подбарьерную», в которой кинетическая энергия отрицательна (т. е. классическое движение невозможно), и далекую область, в которой существуют оба решения – и классическое, и квантовомеханическое, и они мало отличаются друг от друга.

Подобно теории a-распада строится и квантовомеханическая теория рождения Вселенной. Естественно, задачу сейчас решают лишь в самом грубом приближении, рассматривая всего две величины – радиус замкнутой Вселенной а(t) и скалярное поле j. В квантовой теории вводятся соответствующие импульсы Р_a и Р_j; строится волновая функция Y(а, j). Импульс Р_a = М_eff = f(a)a' пропорционален скорости расширения, и в классическом пределе можно найти а' = da/dt, а значит, и время

Заметим также, что квантовая теория даже в сегодняшнем неразвитом ее состоянии дает аргумент в пользу замкнутой Вселенной (в отличие от бесконечной плоской или открытой Вселенной). Только для замкнутой Вселенной можно определить некое небесконечное значение эффективной массы М_eff. Какой бы формулировкой квантовой механики мы ни пользовались (волновая функция, или «интегрирование по путям», или любой иной), вероятность спонтанного рождения бесконечной Вселенной тождественно равна нулю *.

* А. А. Старобинский и я рассматривали плоскую Вселенную, конечную, как тор, за счет отождествления противоположных стенок куба. Однако при этом теряется точная изотропия пространства: направления по диагоналям куба не эквивалентны направлениям, перпендикулярным сторонам или ребром. Однако формального опровержения такой гипотезы еще нет.

В целом, однако, интерпретация полученных результатов остается не вполне ясной. Квантовомеханические формулы указывают на возможность рождения Вселенной. Представляют интерес результаты в части сравнения вероятности рождения Вселенной с тем или иным начальным значением скалярного поля (р. По-видимому, более вероятны большие значения (р, обеспечивающие достаточно большую инфляцию'^ на классической фазе. Однако нет интерпретации абсолютного значения волновой функции и вероятности. Есть и более глубокие основания для скепсиса по отношению к конкретным теориям рождения Вселенной «из ничего».

Дело в том, что развитие фундаментальной физики еще явно не закончено! Более того, именно сейчас оживают все более геометризованные теории элементарных частиц. С одной стороны, это. теории, объединяющие бозоны и фермионы, объединяющие внутренние переменные частиц и полей с координатами и преобразованиями Лоренца. В перспективе эти теории должны дать и прямое доказательство существования скалярных полей, а также определить их свойства. Рано или поздно возникнет и теория масс частиц, и физики скажут нам, что такое скрытая масса, которую открыли астрономы. Еще более близкое отношение к вопросу о рождении Вселенной имеют гипотезы о пространстве-времени высокой размерности. Еще в конце 20-х годов была сформулирована идея, согласно которой есть одна «лишняя» координата Х₄, свернутая в кольцо длиной l=2pR, где R – радиус кольца *. Схематически ситуация изображена на рисунке. Три пространственных координаты X₁, Х₂, Х₃ заменены одной Х вдоль трубки.

* Такое замыкание, ограничивающее интервал изменения координаты Х₄ малой величиной I (Х₄ + I = Х₄), математики называют компактификацией. Мы назовем эту координату Х₄, имея в виду, что время обычно обозначают Х₀, а пространственные координаты – X₁, Х₂, Х₃), В итоге пространство – время оказывается пятимерным. Такую теорию предложили физики Т. Калуца и О. Клейн еще в 20-х годах.

В квантовой теории движение вдоль  Х₄ или локализация частицы пр координате  Х₄ требуют гигантских энергии. Поэтому во всех опытах вплоть до самых больших энергий, 10¹⁷ или даже 10¹⁹ ГэВ (сравните с 10³ ГэВ на ускорителях 80-х годов), нет движения по особой координате Х₄ (или от Х₄ до Х₉). Теоретики говорят, что внизкоэнергетическом пределе пространство-время остается эффективно четырехмерным. Если к тому же ограничиваться размерами, малыми по сравнению с астрономическими, то пространство и время описываются старой доброй метрикой Минковского.

 

Схематичное изображение пространства Капуцы– Клейна. Показано сечение одного заданного значения времени X₀=const, три пространственные координаты X₁, Х₂, Х₃ заменены одной – X. В итоге получилась двумерная поверхность трубки с координатами X, X₄ на поверхности.

И тем не менее, введение в рассмотрение дополнительных измерений – Х₄ в простейшем примере – не проходит бесследно. Можно рассмотреть малые изменения метрики, при которых координатная ось дополнительного измерения Х₄ предполагается не перпендикулярной координатной сетке основных (макроскопических) измерений. Оказывается, что эффективно такое предположение эквивалентно появлению электромагнитного поля в обычном пространстве.

Увеличение числа компактифицированных ("свернутых") переменных с 1 до 6 или 7 (переход к 10-мерному исходному пространству-времени) дает возможность ввести не только электромагнитное поле, но и те поля (W^±, Z°), которые описывают слабое взаимодействие, и поля (глюонные), которые описывают сильное взаимодействие. К тому же, теория суперсимметрии, объединяющая бозонные поля (такие, в частности, как электромагнитное) и фермионные поля (такие, как электрон-позитронное), тоже «геометрична», она вводит новые – удивительные, но геометрические переменные. Мечта А. Эйнштейна о геометризации всей физики сегодня представляется гораздо более реальной, чем это казалось всего 5 или 10 лет назад.

Но почему я пишу обо всем этом в космологической статье?

Первая (не самая главная) причина состоит в том, что мы, наконец, присутствуем при рождении теорий, для которых скалярные поля являются необходимым следствием. О значении скалярных полей уже говорилось – без них не было бы инфляционной Вселенной. Поляризация вакуума как источник энергии и отрицательного давления для инфляции (раздувания) Вселенной, есть тоже разновидность скалярного поля.

Однако более существен и более специфичен второй аспект влияния теорий с "лишними" измерениями на космологию. В момент рождения в замкнутом мире пространственные переменные X₁, Х₂, Х₃  меняются в очень узких пределах порядка 0 < 2pа(t), где а(t) стремтся к 0 при t, стремящемся к 0. Естественно предположить в таком случае, что в действительности Вселенная рождается симметричной по всем пространственным переменным (размерность Д = 5 или выше). Разделение геометрических переменных на «внутренние», т. е. компактифицированные, Д = 4 переменные и на обычные геометрические три переменные и время происходит лишь позже. Это разделение представляет собой типичное спонтанное (самопроизвольное) нарушение симметрии! Первоначально мы имеем, например, 9-мерный «шар», все направления в котором эквивалентны, а позже 6 измерений застывают с а₄-а₉ (их характерные размеры порядка 10^-33 см) *, а три измерения растут экспоненциально и, в конце концов, становятся больше 5000 Мпк = 10²⁸ см, т. е. больше всей наблюдаемой области Вселенной. Намерения у нас остались те же, что и раньше,– описать рождение Вселенной «из ничего». Однако конкретная реализация этого намерения становится совсем другой по сравнению с первыми вариантами.

* Размер 10^-33 см соответствует энергии 10¹⁹ ГэВ, при которой квантовые свойства гравитации становятся существенными. (Прим. ред.) *

 

Рождение симметричного мира с координатами X₄ и X₁, Х₂, Х₃ при «замораживании» X₄ (в момент t₂). Этот рисунок создает у читателя неправильное впечатление о неоднородности пространства (большая кривизна на концах эллипса). Однако нужно помнить, что в многомерной геометрии существуют пространства (так называемые решения Бланки), однородные, но с разной кривизной по разным направлениям. К сожалению, я не умею изображать их на плоскости рисунка.

Итак, дальнейшее продвижение космологии требует коренного развития физики микромира. Не только «Великое объединение» разных взаимодействий, но и предстоящее «Самое великое объединение» микромира и космологии – такова наиболее фундаментальная и амбициозная программа конца XX века.

ПОСЛЕСЛОВИЕ

2 декабря 1987 г. скоропостижно скончался выдающийся советский физик академик Я.Б. Зельдович. Его 56-летняя необыкновенно плодотворная научная деятельность охватывает такие разнородные области, как химическая физика, теория элементарных частиц, работы по реактивному, ядерному и термоядерному оружию и – в последние 25 лет – по астрофизике и космологии. Очень велики заслуги Зельдовича как учителя молодых ученых, автора монографий, популярных статей и обзоров.

Об одном из них * особенно уместно здесь вспомнить, так как его тема недавно обсуждалась на страницах журнала **. Речь идет о так называемой "релятивистской теории гравитации" (РТГ), авторы которой пытаются противопоставить ее общей теории относительности Эйнштейна (ОТО). Зельдович и Грищук убедительно показали, что фактически речь идет об эквивалентной формулировке уравнений теории Эйнштейна, а не о новой теории. В РТГ вводится, наряду с искривленным пространством Римана, вспомогательное плоское пространство. Однако неправомерно интерпретировать величины, определенные в терминах этого пространства, в качестве наблюдаемых. Неправильно утверждение авторов РТГ о неоднозначности выводов ОТО. Необоснован и отказ от рассмотрения иных, чем у мира Минковского, топологических структур пространства-времени, в частности от рассмотрения космологической модели замкнутой Вселенной. Именно эта модель представляется наиболее правдоподобной. Она обсуждается в данной статье Зельдовича.

* Зельдович Я. Б., Грищук Л. П. Тяготение, ОТО и альтернативные теории // Усп. физ. наук. 1986. Т. 149. Вып. 4. С. 695– 707.

** Логунов А. А. Релятивистская теория гравитации // Природа. 1987. № 1. С. 36-47.

Работы Зельдовича в значительной степени способствовали возникновению нового научного направления, лежащего на стыке теории элементарных частиц, астрофизики и космологии. Вся Вселенная при этом выступает в качестве гигантской лаборатории (или полигона) для проверки следствий современных теорий и гипотез о природе элементарных частиц и пространства, в том числе в той области энергий и масштабов, которые пока недоступны ускорителям.

Зельдович ставит задачу построения полной космологической теории ранней Вселенной, описывающей самую первую, "квантово-гравитационную" стадию расширяющейся Вселенной и отвечающей на вопрос – как возникли качественные и количественные особенности строения Вселенной, проявляющиеся на более поздней стадии, почему Вселенная именно такова, какой мы ее наблюдаем. Полная космологическая теория глубочайшим образом связана с построением единой теории всех существующих взаимодействий элементарных частиц, т. е. электромагнитных, слабых, сильных и гравитационных взаимодействий; как предполагается, такая теория должна включать глубокий пересмотр представлений о структуре пространства на так называемом квантово-гравитационном масштабе (это масштаб порядка 10^-33 см в пространстве и порядка 10^-44 с для возраста Вселенной), для которого необходимо рассматривать квантово-гравитационные эффекты. Пока мы лишь приближаемся к пониманию всех этих самых фундаментальных вопросов о Природе. Есть много идей, много надежд, проделана и делается колоссальная работа, но, вероятно, еще гораздо больший путь впереди, может быть, бесконечный...

Последняя статья Зельдовича, написанная, как всегда, очень живо, ясно и доходчиво, вводит читателя в эту волнующую, головокружительную проблематику.

Аргументация Зельдовича в статье сильна и убедительна. Все же само состояние нашего знания сегодня таково, что некоторые утверждения являются гипотетическими, и не исключено, что в действительности все обстоит иначе. Зельдович неоднократно повторяет это. Позволю себе со своей стороны добавить еще несколько замечаний в том же направлении.

В статье излагаются представления, согласно которым наблюдаемая барионная асимметрия Вселенной (и "скрытая" лептонная асимметрия) возникли на ранней (неравновесной) стадии расширения Вселенной вследствие различия свойств частиц и античастиц и отсутствия в природе точного закона сохранения числа барионов и лептонов. При этом как бы подразумевается, что барионная асимметрия имеет одинаковый знак не только в наблюдаемой нами области Вселенной, а вообще во всей Вселенной. Но на самом деле кажется наиболее правдоподобным, что различие свойств частиц и античастиц само носит вторичный характер и возникает из-за неустойчивости в системе взаимодействующих квантовых полей на ранней стадии эволюции (расширения) Вселенной. Поэтому в разных областях Вселенной, пространственно удаленных друг от друга и, вероятно, очень больших (миллиарды световых лет), различие свойств частиц и античастиц и, соответственно, барионная асимметрия могут иметь разный знак. Предполагается, что в наблюдаемой нами части Вселенной есть только вещество, но где-то "много дальше" лежат антибарионные области (состоящие из антивещества, в частности из антипротонов, антинейтронов и позитронов). В замкнутой Вселенной суммарные объемы барионных и антибарионных областей, вообще говоря, различны, и даже не исключено, что вся Вселенная состоит из одной барионной области. Подчеркнем, что вся эта картина совершенно отлична от предполагавшейся ранее некоторыми авторами в рамках модели с сохранением барионного заряда и пространственным разделением барионов и антибарионов при помощи каких-то неизвестных гипотетических процессов.

Другое замечание относится к гипотезе пульсирующей Вселенной. Безусловно правильно, что в ходе сжатия Вселенной можно ожидать огромной неустойчивости, нарушения однородности и изотропии. Но это само по себе не исключает возможности в будущем бесконечного числа пульсаций (циклов расширения и сжатия Вселенной). При этом не исключено также, что существуют "выравнивающие" механизмы (типа вязкости), и хотя бы в некоторых пульсациях Вселенная будет качественно похожей на. нашу ("не исключено" означает, что мы не можем на теперешнем уровне знаний ни опровергнуть, ни обосновать эти возможности).

Я писал о пульсациях в будущем. Но можно ли представить себе такую модель Вселенной, которая приводит к бесконечной последовательности пульсаций, продолжаемой и в будущее, и в прошлое! Повидимому, существует по крайней мере один вариант. Рассмотрим пространственно-плоскую бесконечную Вселенную. Предположим, что в уравнениях общей теории относительности присутствует член с так называемой космологической постоянной. Еще Эйнштейн постулировал в одной из работ наличие такого члена с положительной космологической постоянной. Мы предполагаем, что космологическая постоянная отрицательна, что эквивалентно «самопритяжению» вакуума и приводит к периодическим пульсациям Вселенной. При этом, так как объем Вселенной, радиус ее кривизны и энтропия бесконечны, происходящий, согласно второму началу термодинамики, рост энтропии не обусловливает каких-либо качественных различий между пульсациями.

Наиболее интересна рассматриваемая в статье Зельдовича модель замкнутой Вселенной. В этом случае энтропия конечна и закон ее возрастания, по-видимому, исключает возможность экстраполировать историю Вселенной в бесконечное прошлое. Однако и тут существует "лазейка". Можно предположить, что числовая ось времени представляет собой бесконечную в обе стороны прямую, при этом в одной ее точке энтропия Вселенной равна нулю. Для определенности предположим, что в этот момент Вселенная существует в виде очень маленького замкнутого объема, например трехмерной сферы (представляющей собой трехмерное обобщение известной всем с детства двумерной сферы). Нулевую энтропию имеет, по определению, вакуум.

В современных теориях поля (об этом пишет Зельдович в своей статье) вакуум может существовать в нескольких состояниях: с равной нулю плотностью энергии – это "обычный" вакуум, а также с положительной плотностью энергии и отрицательным давлением – это "ложный" вакуум, обладающий свойством "самоотталкивания". "Ложный" вакуум неустойчив и за некоторое время переходит в "обычный" с образованием различных частиц и полей и соответствующим увеличением энтропии. Пока "ложный" вакуум существует, Вселенная расширяется по экспоненциальному закону, а точнее, в окрестности нулевой точки – по закону гиперболического косинуса. Вся картина качественно симметрична относительно нулевой точки.

Особенно существенно, что энтропия автоматически возрастает при удалении от особой точки в обе стороны. Ведь энтропия, по самому своему определению, положительная величина! Таким образом, мы имеем как бы две невзаимодействующие Вселенные, существующие независимо друг от друга, с обратным ходом времени в одной Вселенной по отношению к другой. В 1967 г. я описал подобную ситуацию, употребив термин «поворот стрелы времени» *. Предполагать «рождение» Вселенной в такой модели, вероятно, нет необходимости, но оно не исключено.

* Сахаров А. Д. // Письма в ЖЭТФ. 1967. Т. 5. С. 32-35.

Все это я пишу не для того, чтобы бросить тень на идею квантового рождения Вселенной в особой точке времени, а чтобы указать на большую неопределенность в нашем понимании ситуации. Эта неопределенность носит глубоко принципиальный даже философский характер. Философски острым является, в частности, вопрос о так называемом антропном принципе, объясняющем особенности нашей Вселенной тем, что только в такой Вселенной могла возникнуть разумная жизнь, в отличие от бесконечного числа других, спонтанно возникающих "мертвых" Вселенных.

В статье Зельдовича показано, что, по крайней мере, нет препятствий к квантовому рождению Вселенной со стороны основных физических законов сохранения. Вселенная при этом должна быть замкнутой (иметь конечный объем).

Академик А. Д. Сахаров

 

Июль 2001