Таинственные явления природы и Вселенной - Сергей Минаков

Идея доказательства проста и изящна. Есть Вселенная и есть наблюдатели, которые сидят в своих галактиках. Наблюдатели равномерно рассеяны по Вселенной. Есть также космический турист, который свободно и равномерно, без толчков, рывков и ускорений движется мимо этих наблюдателей. Вселенная расширяется. Понятно, что в таком случае наблюдатели будут отдаляться друг от друга, как точки на поверхности раздувающегося воздушного шара. Далее вследствие того же расширения всякий встречный наблюдатель будет приближаться к туристу, а всякий уже пройденный наблюдатель будет от него отдаляться. Таким образом, скорость туриста относительно каждого встречного будет меньше, чем относительно каждого пройденного, то есть будет все меньше и меньше с точки зрения наблюдателей. Если же рассмотреть историю этого путешествия вспять, от будущего к прошлому, то скорость нашего туриста с точки зрения наблюдателей будет, наоборот, все больше и больше. Просто и логично, не подкопаешься. А вот теперь вступает в дело теория относительности! По мере того, как скорость туриста будет приближаться к скорости света (а быстрее он двигаться не может принципиально!), наблюдатели будут видеть, как его часы замедляются и как его время в конце концов застывает и превращается в мгновение, растянутое в вечность. Получается, что время этого путешествия, продленного в бесконечное прошлое, оказывается конечным. А это очень плохой симптом для вечной в прошлом вселенной: это значит, что некоторые истории в перспективе бесконечного прошлого не могут быть окончены. Они обрываются. А это означает, что вечная в прошлом Вселенная неполна — некоторые части историй не имеют продолжения, исчезают!

Вечная инфляция здесь никак не может помочь. Вечной инфляции, не имеющей начала в прошлом, не может быть! У Вселенной может не быть конца, но у Вселенной должно быть начало.

У Вселенной обязательно должно быть начало — это очень важный результат. Вечная инфляция, Мультиверс, Мегаверс и вся эта грандиозная картина — это будет потом! Сначала Вселенная, вся безграничная Вселенная должна начаться. Но — начаться с чего-то. Или с кого-то. Итак, Он снова выходит на сцену? Призванный теперь и результатами физико-математической науки? Неужели нам нельзя обойтись без творения? И без Творца?

В классической космологической модели начало Вселенной ассоциировалось с Большим взрывом. Правда, из такой космологии никто не мог понять, что же такое Большой взрыв. Помните, даже слова «Большой взрыв» впервые прозвучали в ироническом, а не в научном ключе, во время радиошоу. Точное понятие того, что представляет собой Большой взрыв, удалось дать только в рамках инфляционного сценария. Исходя из него, этот момент можно ассоциировать с самим молниеносным расширением (раздуванием) крошечного кусочка ложного вакуума. Можно понимать под Большим взрывом только распад ложного вакуума после инфляции, когда его громадная энергия отливается в раскаленный шар из первичных частиц и полей. Это как кому нравится. Важно, что Большой взрыв становится делом вполне понятным (и, как мы видели, вообще говоря, вовсе не уникальным, не особенным, даже заурядным). Но это никак не относится к проблеме начала Вселенной.

7 февраля 2001 года с помощью орбитальной обсерватории SOHO было подробно отслежено падение одной из комет на Солнце.

Странное обаяние квантового мира

У Вселенной должно быть начало. На этот результат есть указание уже в классической космологии в виде наличия космологической сингулярности. Здесь важно иметь в виду: сингулярностей в природе не бывает! Не бывает бесконечных энергий. Не бывает нулевых, точечных размеров. Сингулярность — это теоретическая ситуация, это просто честный отказ теории, в которой она появляется, описать действительное положение дел. Любые классические физические представления тут просто не работают. Но классическая космология базируется на ОТО — очень хорошо работающей и очень хорошо подтвержденной теории. Поэтому сингулярность — не просто ошибка, недоразумение, здесь скрывается что-то очень важное: природа как бы хочет нам что-то сообщить, но не на нашем, а на своем языке.

В сингулярности классической космологии в момент начала Вселенной плотность энергии становится бесконечной. А это значит, что реальная Вселенная обладала тогда очень большой плотностью энергии. Еще размер Вселенной здесь стягивается в точку. Это значит, что действительная Вселенная была тогда очень-очень маленькой. А все это вместе означает, что классическая теория должна уступить место неклассической — квантовой теории. Именно она только и может работать в мире очень-очень больших энергий и очень-очень малых размеров. Квантовая теория — другая великая, фундаментальная теория. Вместе с теорией относительности они представляют собой базис современной физической науки. Квантовая теория незримо присутствовала во всем нашем предыдущем повествовании. Элементарные частицы, поля, вакуум, ложный и истинный, но также звезды, черные дыры, даже гравитация — все это ее объекты. Теперь она добралась и до Вселенной в целом — теория самого малого стала незаменимым средством для понимания самого большого.

Естественные науки иногда называют точными. Они действительно точны. Почему? Потому что все величины, характеризующие физическое состояние чего бы то ни было, можно измерить со сколь угодно высокой точностью. Дело только в том, чтобы иметь все более и более точные приборы. Так считает классическая наука — на уверенности в этом она держится. Еще бы! Ведь из этого следует, что состояние любой физической системы, любого объекта в какой угодно момент в будущем можно однозначно определить, зная состояние системы в прошлом. Это называется абсолютным детерминизмом. О том, что принцип детерминизма в науке действует неукоснительно, мы знаем даже из повседневного опыта. Так обстоит дело в любой классической теории. Даже в ОТО, поскольку это тоже классическая теория.

Но в квантовой теории все по-другому. Здесь невозможно одновременно измерить некоторые важнейшие характеристики объектов и систем со сколь угодно высокой точностью. Если точно знаешь одно, то абсолютно ничего не можешь сказать о другом. Это так называемый принцип неопределенности Вернера Гейзенберга. Согласно принципу неопределенности, сумма неточностей, неизбежных при одновременном определении положения и количества движения объекта, имеет некое постоянное значение — она равна постоянной Планка. Это величина квантового масштаба: 1,054 × 10−34 Дж·с. Другая пара «совместно неопределенных» величин, очень важная для космологии, — энергия физической системы и время, где система этой энергией может располагать.

Интересно, что соотношение неопределенностей не является недостатком теории. Это сама реальность, в самой сердцевине своей не дает себя определить абсолютно однозначно и точно. Она всегда имеет тайные пути, чтобы уйти из-под любого точного описания. В квантовом мире много диковин. Населяющие его вещи дурачат нас как хотят. Они нарушают законы сохранения, позволяют себе иметь взаимоисключающие свойства, проявляя то одно, то другое, когда им выгодно. Они могут вдруг возникнуть в совершенной пустоте, показывая, что пустоты-то на самом деле и не бывает. Здесь происходят коллизии, запрещенные физикой. Здесь будущее не определяется однозначно прошлым. Здесь нет ни капли здравого смысла.

Вот шарик, катается в ямке взад-вперед. Представим для определенности, что трения нет, никакие силы на него не действуют, он движется совершенно свободно и никогда не останавливается. За высоким холмом — другая ямка. Шарик никак не может попасть в нее — у него слишком мало энергии, чтобы перепрыгнуть холм-барьер. С точки зрения обычной физики это невозможно. Но в масштабах порядка планковской постоянной шарик может оказаться за барьером. Как это примерно происходит? Барьер почти всегда бывает энергетический — это непреодолимый уровень энергии. Но в квантовом мире действует соотношение неопределенностей! Поэтому шарик, катавшийся в ямке, вдруг может как бы размазаться по всему пространству (конечно, это будет уже не «шарик») и «просочиться» или, как говорят физики, тунеллировать через барьер. Он вновь явится шариком на другой стороне холма. Несколько утрированное, но в целом вполне адекватное описание ситуации, так сказать, «в квантовом свете».

Капли дождя — не совсем капли. Они не «каплевидны»: во время падения каждая представляет собой практически идеальную сферу.

Когда Вселенной еще не было

Если Вселенная в пору своего рождения очень мала (а это вполне естественно), то здесь вступают в свои полные права законы квантового мира. Возникновение Вселенной, во всяком случае, должно быть квантовым процессом. Это дает надежду наконец прояснить, что же скрывается за космологической сингулярностью, что она означает. Сингулярность ведь, собственно, и появляется как своеобразная реакция природы на то, что мы хотим описать эволюцию Вселенной от начала и до конца классическим, то есть однозначным и полностью детерминированным образом.