| 2010-03-23 07:12:19 |
Naive Questions to the Creator, rusrep.ru
Наивные вопросы создателю
Открытия в космологии перевернули наши представления о том, как зарождалась Вселенная. Новые теории ставят в тупик неподготовленный ум — одно лишь положение о множественности вселенных чего стоит. Вопросы возникают по всем пунктам этой уже практически признанной всеми инфляционной модели. Алексей Старобинский, главный научный сотрудник Института теоретической физики им. Л. Д. Ландау, и Андрей Линде, профессор Стэнфордского университета, ответили корреспонденту «РР» на некоторые из них
Историю возникновения Вселенной я слышал неоднократно, причем от самого создателя. Нет, не мира, а инфляционной теории, но зато эта теория как раз рождение мира и описывает. Создателя зовут Алексей Старобинский, именно он в 1979 году опубликовал в журнале «Письма в ЖЭТФ» статью о том, как экспериментально узнать, что было до Большого взрыва. Три десятка лет инфляционной теорией занимались многие исследователи: было построено несколько моделей, ее проверили в наблюдениях за реликтовым излучением, и в результате мы имеем следующую картину.
13–14 млрд лет назад наша Вселенная возникла из небольшого пузырька высокоэнергетического вакуума. Размером пузырек был около 10−27 сантиметра или на несколько порядков больше, и в нем тогда была сосредоточена вся материя нынешней Вселенной. Той, которую мы сейчас можем видеть.
За доли секунды пузырек многократно раздулся и стал размером уже в сантиметры. Этот процесс назвали инфляцией — раздуванием, отсюда и название теории. Потом Вселенная продолжала расширяться, но уже медленнее. Плотность энергии падала, а сама энергия переходила в другие виды материи, например в вещество. Появились частицы, из них — звезды и галактики. В результате мир пришел к современному состоянию — со звездами, планетами и нами, людьми.
Космологи утверждают, что таких пузырьков, или областей пространства, должно быть много. Они даже придумали термин — мультиверс (мультивселенная). И в этих других пузырьках могут быть физические законы, отличающиеся от наших.
Каждый раз, когда мне приходится пересказывать эту картину, мне задают вопросы, на которые я не умею отвечать. Детские вопросы. Например, такой: «А из чего сделаны стенки нашего пузыря? Как они выглядят?»
Чтобы разобраться со стенками и прочими непредставимыми объектами вселенных, я обратился к двум знаменитым теоретикам инфляционной гипотезы — к уже упоминавшемуся Алексею Старобинскому и к Андрею Линде, создавшему свою модель. Выяснить получилось не очень: создателей по отдельности понять можно, но картинки, которые они рисуют, получаются разными.
— Когда мы переходим от формул к словесным объяснениям, последние очень часто бывают неточными, — сказал мне Алексей Старобинский. — Поэтому нет ничего удивительного в том, что одна и та же формула в словах выглядит по-разному. Причем Андрей старается объяснять понятно, а я как раз не стараюсь. Потом ко мне приходят и говорят: «А вот Андрей Дмитриевич объяснял так просто!» Я отвечаю, что Андрей Дмитриевич для вас слишком все упростил, и не так это все просто.
От себя добавлю, что все-таки речь идет о разных моделях.
Итак, ответы на детские вопросы от двух специалистов по устройству мира.
Как выглядит край Вселенной?
Андрей Линде:
С самого начала — терминология неудачна. Представьте себе, что у вас есть бесконечная плоскость. Идете себе и идете, нет ни начала, ни конца. Это один вариант того, что думают о Вселенной. Второй вариант — что она как шарик: вот вы идете вдоль глобуса и вернетесь в ту же точку. Ни в том, ни в другом случае нет никакого края. И это для всей Вселенной.
Но что может оказаться? Что вся бесконечная плоскость или сфера, так же как наша Земля, разделена на землю, воду, на горы, озера, то есть на разные части, которые имеют разные свойства. Эти части в некоторых случаях имеют форму пузырька, а могут иметь и более хитрую форму. Свойства внутри пузырька и снаружи могут быть одинаковые, просто геометрия будет другой. А может оказаться, что внутри пузырька существуют какие-то поля, и частицы там взаимодействуют по-другому.
Это означает, например, что для тех людей, которые находятся внутри одного пузырька, есть обычные электромагнитные взаимодействия: лампочки горят, электрические поезда ездят и так далее. В другой части нет таких взаимодействий. Это не означает, что законы физики другие, просто в разных частях Вселенной они реализуются по-разному. Представьте себе озеро, половина замерзла — лед, а другая нет, рыба может плавать. Это одно и то же химическое соединение — вода, но для рыбы огромная разница, твердая она или жидкая. Вселенная может состоять из частей, где действует один фундаментальный закон физики, но реализован он по-разному. А смысл этого дела в том, что другие элементарные частицы будут сталкиваться, рассеиваться, не будет электропоездов… Жизнь другая, но где-то глубоко у нее та же первооснова.
Алексей Старобинский:
Давайте уточним терминологию. Не все пользуются словом «пузырь», я бы сказал, что только Андрей здесь его использует. Более употребительна такая терминология, которая потом переходит в концепцию метавселенной или мультивселенной. Вот была некая инфляционная стадия, а из нее возникло много постинфляционных вселенных. Каждая из них — то же самое, что Андрей зовет пузырем. Это действительно не очень удачное слово, потому что под пузырем мы имеем в виду что-то такое со стенками, а здесь как раз никаких стенок нет. В нашем трехмерном пространстве нет, они есть в четырехмерном.
Модель такая: давайте расчертим лист бумаги на произвольные куски, каждый кусок и будет Вселенная. В трехмерном пространстве, конечно, это кубики будут. Вот где-то внутри одного из таких пространств мы с вами сидим. Это — Вселенная в нашем понимании. В физической энциклопедии, кстати, написано как раз мое определение: Вселенная — это все, что мы можем видеть, и то, что наши отдаленные потомки могут увидеть. Так называемый космологический горизонт. То есть наша отдельная Вселенная — это все, что находится в одном связанном объеме. Но таких вселенных множество.
Как выглядит стенка пузыря Вселенной?
Андрей Линде:
Одна из простейших моделей такая. Представьте, что есть горка, и вы с горки могли упасть вправо, могли — влево. Чтобы из правого состояния перейти в левое, вам надо сначала на горку вскарабкаться, это трудно, на это энергию надо потратить. Вот если у вас есть половина Вселенной, где вы упали направо, а половина, где упали налево, — значит, между ними обязательно будет стенка.
Можно ли как-то эту стенку представить? Вот справа у вас стоит Вселенная, назовем это так, в красном состоянии, слева — в зеленом. Вы обязательно должны перелезть через какой-то барьер, чтобы попасть из красного в зеленое. Во многих теориях эти барьеры очень-очень тонкие. То есть стенка — это 10 в минус 30−й степени сантиметра или в минус 15−й, зависит от теории. Кроме того, эта стенка может не просто стоять, а двигаться, например на вас. Стенке хочется двигаться в ту сторону, где есть выигрыш в энергии, и скорость ее приближается к скорости света.
Она либо на вас несется, как паровоз, эта тоненькая стенка, либо от вас. В обоих случаях вы ее вряд ли увидите. Потому что если она бежит от вас со скоростью света, то когда вы получите от нее какой-то сигнал, она будет очень-очень далеко. Не то чтобы вы ее не увидели совсем, но вы ее увидите не в том месте, где она сейчас. А если она бежит на вас, то она вас ударит, — и больше вы уже ничего и никогда не увидите.
Это только одна из возможностей. Есть и другая: от одного уровня до другого переходы могут быть плавные. Вот идете вы по Вселенной, и у вас потихонечку накапливаются изменения, вы переходите в другую часть, и там плавно становится не так, как у нас.
Пример этого может быть такой. У нас, в нашей части Вселенной, есть материя и нет антиматерии. Потом вы идете дальше и видите, что пришли в то место, где количество материи и антиматерии одинаково. Потом вы пошли дальше, и там — только антиматерия и нет материи. Вы будете жить в другой области, и у вас будет загадка: а почему это в моей области есть только антиматерия и нет материи? Что, антиматерия лучше? А в нашем мире вы будете задаваться вопросом: почему у нас только материя — что, материя лучше? А в глобальной структуре Вселенной есть и то и другое в разных местах.
Алексей Старобинский:
У нее, как я говорил, нет стенок. Вот мы расчертили лист на квадратики, в каждом — Вселенная. В трехмерном мире это будут такие отдельные объемы — одна Вселенная, другая, третья, а между ними будут двумерные плоскости. Вы скажете: «Вот она, стенка пузыря!» Но для нас она уходит на бесконечное расстояние.
Почему так происходит? Потому что инфляционная стадия — время, когда Вселенная очень быстро раздувалась, — в разных местах имеет разную продолжительность. Это условность, конечно, так как абсолютное время мы считать не умеем. Но практическое следствие такое: при приближении к границе время нахождения в инфляционной стадии все больше и больше. А на этой поверхности, которую вы называете стенкой, время инфляции формально бесконечно. Андрей любит говорить о «вечной инфляции».
Из-за этого получается, что расстояние до стенки бесконечно. И от нас бесконечно, и от любого другого места. Нельзя, так сказать, находиться ближе или дальше, нельзя быть на расстоянии, скажем, метр от границы. Метров нет. Поэтому, если мы поместим человека туда, где, нам кажется, он ближе к стенке, то он все равно увидит то же самое, что и здесь. Звезды у него будут образовываться через те же пять миллиардов лет после конца его инфляционной стадии.
Какого размера Вселенная?
Андрей Линде:
В то время, когда инфляционная теория только возникала, мы все думали: «Вселенная сначала была горячая, был Большой взрыв». Потом появилась такая картинка: Вселенная возникла из маленького пузырька вакуума, который очень быстро вырос. Я иногда говорил, что к концу инфляции Вселенная была размером с грейпфрут, но лучше думать, что это такой грейпфрут, из которого вырастают маленькие грейпфрутики, а потом еще другие.
И всю Вселенную лучше представлять как такой бесконечный растущий
фрактал. Вы посмотрите на его кусочек и скажете: «О, он не такой
уж и большой!» Но таких кусочков может быть много, и один из них может
быть красным, другой зеленым, и от красного к зеленому вам нужно идти
гораздо больше времени, чем наши 14,5 миллиарда световых лет позволяют.
Поэтому вы сейчас их вообще не увидите, они где-то очень далеко. Но они
реально существуют или будут существовать.
Это просто объяснить нормальному человеку: у нас есть один глобус, а потом этот глобус может разбиваться на разные части. Есть Земля, и на ней есть и вода, и леса, и горы — это можно объяснить и понять.
Алексей Старобинский:
Давайте уточним, что мы называем Вселенной. Размер того кружка, который мы видим сейчас, на конец инфляции был порядка сантиметра. Из этого сантиметра Вселенная уже расширялась по инерции. Это было то, что называется Большим взрывом. И сейчас мы видим на 14 миллиардов световых лет в каждую сторону.
Другое дело, что это не есть размер всей Вселенной. Строго говоря, все эти размеры бесконечные. Лучше сказать, что очень близко к границе Вселенная перестает быть однородной. Поэтому нас интересует не вообще все, а размер вот этой однородной части Вселенной. Для этого нужно оценить, где отклонения от однородности станут порядка единицы. Примерно получится е в степени 10 в пятой степени. Это фантастически много. Грубо говоря, с той же точностью это 10 в степени 10 в пятой степени.
Можно ли обойти Вселенную?
Андрей Линде:
Из одной точки в другую вы всегда имеете возможность перейти. Это не то что у вас два воздушных шара, и из одного в другой вы никогда не перескочите. Когда я рисую картинки с пузырями, это одно и то же многообразие, и если бы вы имели сверхсветовую скорость, вы бы все это многообразие оббежали. Нет такого, что вот есть дырка и нет пространства.
То есть всюду пространство есть, но оно такое огромное и условия в разных местах такие разные, что на практике вы никогда из одной части другую не увидите, и никто вам оттуда по телефону не позвонит.
Вы сидите в одном месте и совсем не знаете, что есть еще что-нибудь другое, и думаете: «А я вот вокруг себя погляжу, вся Вселенная такая, во всей Вселенной обязательно должны быть электроны, потому что я вижу их рядом с собой. И в далеких галактиках тоже электроны. И я вижу, что у них константа связи электромагнитная такая же, как у меня, вижу, что пространство справа и слева от нас примерно одинаковое, однородное…» Тогда приходит Эйнштейн и говорит: «Я хочу назвать это все “космологический принцип”, который говорит, что Вселенная должна быть однородная. Почему она должна быть однородная, я не знаю, но открываю окно и вижу всюду одно и то же». Сто лет почти этот принцип существовал.
Сейчас вместо него получается, что в одном месте одно, в другом — другое, но локально кажется, что все одинаково. Считается, что эта локальность — 30 миллиардов световых лет вокруг, потому что мы не можем видеть дальше, чем скорость света, умноженная на возраст Вселенной. Но это на самом деле чуть-чуть не так: с учетом расширения Вселенной мы можем увидеть в два-три раза больше. Касательно всего остального, что за этими границами, то как если бы это был другой мир.
Алексей Старобинский:
В любую точку нашего «куска» мы попасть можем. Но мы не можем попасть в то, что находится за инфляционной стенкой. Те места, где есть инфляция, обладают антигравитационным отталкиванием. Все от всего отталкивается. Иногда неправильно представляют, что, скажем, звезды отталкиваются от звезд. Пустое место от пустого тоже отталкивается. Пустое место и от звезд отталкивается тоже. Вот почему мы не можем стенки достичь: потому что и сама она от нас отталкивается, и нас отталкивает.
Давайте так: что нужно, чтобы выйти из нашей постинфляционной Вселенной в другую? Пойти назад в прошлое до инфляционной стадии, затем выйти за пределы нашего светового конуса и мгновенно переместиться по пространству, потом уже нормально двигаться в будущее (можно даже сидя на месте). В нашем мире такое невозможно. Я подчеркиваю, как много нужно нарушить, чтобы попасть из одной Вселенной в другую.
Что было до того, как наша Вселенная стала раздуваться?
Андрей Линде:
В той модели, о которой я говорил, мы обходимся одной нашей Вселенной, одним пузырем. А есть другая фундаментальная возможность — пространственно-временная пена, она существует при сумасшедшей плотности, когда еще нельзя всерьез говорить ни о пространстве, ни о времени. Что-то такое первобытное. Из этого первобытного у вас появился один пузыречек, который вы назвали Вселенной. С моей точки зрения, это будет начало всей мультивселенной. Потом развился другой пузыречек, третий, четвертый… Они — отдельные, друг с другом никогда не соприкасаются, из одного в другой вы никогда не перепрыгнете, они просто разные.
Эта возможность существует, она интересная, но она очень трудная. Потому что она требует, чтобы вы поняли, что такое пространственно-временная пена, как это так, что вселенные существуют, но они не контактируют. В каком смысле они существуют, если они не могут одним и тем же человеком никогда быть в принципе увидены? В каком смысле это часть одного и того же?
Для людей сильных, как Алеша Старобинский, это, может быть, и не такая большая проблема. Он так же легко думает о разных вселенных, как о частях одной и той же…
Но мы идем от простого к сложному. Моя картинка, где есть глобус, — это часть другой картинки. А другая картинка такая: таких глобусов много. И одно другому не противоречит. Более того, если вы еще сделаете шаг назад, вы скажете, что не только глобусов может быть много, но и фундаментальных законов природы. Нет пределов тому, чтобы становиться все более абстрактным.
Алексей Старобинский:
До того как наша Вселенная стала расти, она была частью мультивселенной, еще не распавшейся на отдельные куски. Частью чего-то еще более сложного. В самых простых моделях примерно так: до инфляции опять возникает нечто похожее на старую космологию, которая начинается из сингулярности. Некоторые законы расширения не экспоненциальные, а степенные.
Многие пытаются, и я тоже пытался, получить отскок, то есть что-то сжимающееся… Но не получается… Сложно и требует специальных предположений.
То первобытное вещество, что было до Вселенной, — вакуум?
Андрей Линде:
В первой модели инфляции все происходило в том, что называется «ложный вакуум» — такой вакуум с высокой плотностью энергии. Но эта модель не работает. Должно быть какое-то поле, чтобы получить действующую инфляцию.
Алексей Старобинский:
Я избегаю слова «вакуум». Уже сейчас сказать «вакуум» — значит не сказать ничего, потому что видно, что вакуумов очень много. Даже ударились в противоположную крайность: в теории струн вакуумов столько, что человеческой жизни не хватит изучить, и это представляет принципиальную проблему для науки. Я думаю, что в действительности проблемы нет, но решение достаточно сложное.
Вакуумов очень много. И Глинер ввел очень удачное слово «вакуумоподобный». До начала Вселенной был один из таких вакуумов, и сейчас темная энергия представляет собой другое вакуумоподобное состояние.
Как узнали, что пространство расширялось и сейчас расширяется? Ведь пустоту не померяешь.
Андрей Линде:
Это очень непростой вопрос. Чтобы говорить о расширении, вы должны на пространство поставить какие-то точки и сказать, сколько от одной точки до другой. В пустом вакууме нет возможности поставить точки. И даже если вы их ментально поставите куда-то, то кто-то другой придет и скажет: «А я бы поставил точки по-другому».
А если вы имеете Вселенную, в которой некая вещь — скалярное поле — начинает меняться со временем, то способ расставить точки оказывается однозначным. После того как вы их расставили, вы можете сказать, что от одной точки до другой размер пространства увеличивается. И вот это и есть масштабный фактор. Вы взяли две точки и сказали, что через некоторое время расстояние между ними окажется экспоненциально большим. Это имеет определенный наблюдаемый смысл.
Если бы был просто вакуум, очень трудно было бы вообще что-нибудь сказать о том, раздувается Вселенная или нет. Поэтому отчасти первые модели инфляции — то, что придумал Алан Гус, — не работали. В работающих моделях Вселенная, с одной стороны, расширяется почти экспоненциально быстро, а с другой стороны, в ней происходят некоторые изменения: какое-то скалярное поле едет вниз, имеет скорость… Вы делаете так: берете некий кусочек пространства и смотрите его изначальный размер, например, 10 в минус 30−й степени сантиметра. Или 10 в минус 33−й — планковская длина. После этого смотрите, какого размера стал этот кусочек через какое-то время. И из-за того, что в этом кусочке есть движение скалярного поля, я могу придать смысл тому, что он меняется.
Алексей Старобинский:
Ответ такой. Свойства пустоты можно узнать так же, как электрическое поле узнавали в семнадцатом-восемнадцатом веках. Его же не видно! Как узнавали? Помещали в это поле тела и смотрели, как они движутся.
Для ранних стадий Вселенной пробные тела трудно найти. Поэтому мы и говорим, что тогда был не истинный вакуум, который по определению что-то такое изотропное… Были малые отклонения. Такие, которые можно рассматривать как пробные тела, — они не влияли на общую кинетику. Их мы и видим — отклонения гравитационного поля от того самого, однородного.
Если говорить о поздних стадиях, то достаточно просто посмотреть. Что такое галактика? Это неоднородность на общем фоне. Кстати, с этой точки зрения мы сами есть малые возмущения с характерным размером порядка полтора-два метра, с характерной массой, скажем, от 50 до 100 килограмм.
И галактики, и мы с вами — те самые пробные тела. Но нужно сказать, что не просто одна галактика удаляется от другой, а все галактики, кроме самых ближайших, удаляются. На больших расстояниях, больше двух-трех мегапарсеков.
Второе. Важно сказать, что они не просто удаляются, а каким образом удаляются. Есть закон Хаббла: скорость удаления пропорциональна расстоянию. Это замечательно тем, что именно R (расстояние) — не R квадрат, не куб, не корень… Чем же этот закон такой замечательный? Только при этом законе нет избранной точки, нет центра у Вселенной. И хотя мы по-прежнему говорим, что галактики удаляются друг от друга, но поскольку они удаляются одинаково во всех точках, естественно предположить, что расширяется пространство.
Вместо эпилога
Андрей Линде:
Не страшно ли про это думать? А вам не страшно думать о жизни и смерти? Через двадцать лет меня не будет, а может, раньше или, может, позже… А потом скажете: ну вот, страшно думать, так я и не буду. Многие и не думают… Трудно, но когда обнаруживается, что это не просто темнота, через которую нельзя пробраться, а, наоборот, открываются неожиданные возможности понять. И тогда вместо испуга у вас начинается состояние экстаза. Оно нечасто возникает. У меня — пару раз в жизни: вдруг вы понимаете, что весь мир для вас открылся, и вы непременно должны об этом всем рассказать. И если не расскажете, то люди умрут, не понимая. С нашим ограниченным набором возможностей мы, как дети, радуемся, когда обнаруживаем какие-то кусочки правды.
Страшно или не страшно, но пути назад нет для людей, которые умеют с этим разбираться.
Пока что все идет как будто в правильном направлении. Когда мы начали сравнивать вероятности — какая вероятность жить в красной Вселенной по сравнению с синей, — от этих вопросов руки опускались. И тогда картина, что в разных частях разные свойства, стала почти неизбежной. От этого трудно отказаться и идти назад.
Фактически эта вещь такая же идеологическая, как то, что вот мы жили в Советском Союзе и думали, что туда весь мир должен идти, а в США все думали, что мир должен жить в капитализме. А потом оказалось, что можно и так и так. В разных частях мира живут по-разному. Необязательно быть человеком, который говорит: «Только я прав! Только мой бог — самый лучший бог». Эту ограниченность теория множественных вселенных помогает снять. Леша Старобинский про это говорил. Он — великий человек, не даст соврать.