До конца времен. Сознание, материя и поиск смысла в меняющейся Вселенной - Брайан Грин

В начале 1980-х гг. советский физик Андрей Линде и американский дуэт Пол Стейнхардт и Андреас Альбрехт приняли эстафету у Гута и развили концепцию, разработав первые жизнеспособные варианты инфляционной космологии. За прошедшие с тех пор несколько десятков лет эти первые работы вдохновили ученых на создание тысяч страниц изощренных математических расчетов и огромного количества подробных компьютерных моделей, наполнивших журналы всего мира разъяснениями и предсказаниями, сделанными на основе предположения об инфляционном прошлом Вселенной. Многие из этих предсказаний сегодня уже подтверждены скрупулезно точными астрономическими измерениями. Я не стану перечислять здесь все наблюдательные данные инфляционной космологии, подробно расписанные во множестве статей и книг, но опишу один успешный проект, который многие физики считают наиболее убедительным.

Кроме того, речь пойдет о вещах, которые потребуются нам при рассмотрении следующего этапа развертывания космоса — формирования звезд и галактик.

Послесвечение

По мере стремительного растягивания ранней Вселенной ее обжигающий жар распространялся все шире, постепенно снижая интенсивность и остывая4. Физики еще в 1940-е гг., задолго до появления инфляционной теории, поняли, что изначальный жар, уменьшенный пространственным расширением до мягкого свечения, должен и сегодня пронизывать Вселенную. Этот замечательный космологический пережиток, получивший название «реликтовое излучение» (или, на формальном языке физики, «космическое микроволновое фоновое излучение»), впервые зарегистрировали в 1960-е гг. исследователи Лаборатории Белла Арно Пензиас и Роберт Вильсон. Их новейшая телекоммуникационная антенна незапланированно приняла пронизывающее пространство рассеянное излучение с температурой всего на 2,7° выше абсолютного нуля. Если в 1960-е гг. вы уже жили на свете, вы, возможно, тоже принимали это излучение. Часть шума, который в те годы можно было видеть на экране телевизора после окончания вещания, объяснялась именно этим пережитком Большого взрыва.

Инфляционная космология уточняет предсказание послесвечения с учетом квантовой механики — законов, разработанных в первые десятилетия XX в. для описания физических процессов, которые разыгрываются в микромире. Поскольку мы говорим обо всей Вселенной — а она большая, — вы можете подумать, что квантовая физика, сосредоточенная на всем маленьком, здесь ни при чем. И если бы не инфляционная космология, то ваша интуиция была бы совершенно права. Но как растягивание эластичного полотна дает возможность рассмотреть особенности переплетения его нитей, так и растягивание пространства в результате инфляционного взрывного расширения вскрывает квантовые черты, надежно скрытые в микромире. В сущности, инфляционное расширение проникает в микромир и растягивает квантовые черты буквально на все небо.

Самый значительный квантовый эффект — тот самый, с которого начался необратимый разрыв с классической традицией, — квантовомеханический принцип неопределенности. Этот принцип, открытый в 1927 г. немецким физиком Вернером Гейзенбергом, продемонстрировал, что в мире существуют такие величины — к примеру, координаты и скорость частицы, — которые, по твердому уверению классического физика образца Исаака Ньютона, можно определить с абсолютной точностью, но которые, по представлениям квантового физика, обременены квантовой расплывчатостью, делающей их неопределенными. Это как если бы классическая традиция рассматривала мир сквозь прозрачные полированные очки, которые приводят все физические черты к идеально резкому фокусу, тогда как очки, примеряемые в квантовой перспективе, страдают неустранимой мутностью. В крупных масштабах мира нашего обыденного опыта квантовый туман слишком разрежен, чтобы влиять на наше зрение, так что классическая и квантовая перспективы почти неразличимы. Но чем мельче зондируемые объекты, тем более мутными становятся квантовые линзы и тем более расплывчатым — вид.

После такой метафоры вы, может быть, подумаете, будто достаточно всего лишь протереть квантовые линзы. Но принцип неопределенности установил, что, как бы тщательно мы ни работали и какое бы новейшее оборудование ни использовали, всегда будет оставаться минимальная затуманенность, которую невозможно прояснить. Мало того, само мое описание выдает необъективность человеческого восприятия. Только в сравнении с заведомо неверной классической картиной — картиной, которую мы, люди, открыли первой, потому что она, с одной стороны, проще, а с другой — необычайно точна в доступном человеческим чувствам масштабе, — квантовая реальность кажется туманной. На самом деле именно классическая теория дает приближенное и, следовательно, неточное изображение истинной квантовой реальности.

Я не знаю, почему реальность управляется квантовыми законами. Никто этого не знает. Столетие экспериментов подтвердило целую гору квантово-механических предсказаний, именно поэтому ученые принимают данную теорию. Но, несмотря на это, для большинства из нас квантовая механика остается совершенно чуждой, потому что ее фирменные черты проявляются на расстояниях настолько незначительных, что мы просто не сталкиваемся с ними в повседневной жизни. Если бы сталкивались, то здравый смысл и интуиция формировались бы непосредственно квантовыми процессами и квантовая физика была бы нашей второй натурой. Как сейчас вы нутром чувствуете принципы Ньютоновой физики — например, можете быстро поймать падающий стакан, мгновенно представив себе его траекторию по Ньютону, — так же вы могли бы нутром чувствовать квантовую физику. Но, поскольку такой квантовой интуиции у нас нет, мы полагаемся на эксперимент и математику, которые и формируют наши представления, отражая те аспекты реальности, которые мы не можем воспринимать непосредственно.

Самый обсуждаемый пример, упоминавшийся выше, касается поведения частиц, где мы учимся подправлять четкие траектории, характерные для классической физики, наложением непрерывного мелкого дрожания от квантовой неопределенности. Когда частица перемещается из одной точки в другую, классический физик проведет ее траекторию остро заточенным пером, тогда как квантовый физик проведет по влажному чернильному следу пальцем и размажет путь5.

Но применимость квантовой механики много шире, чем просто движение отдельных частиц; в космологии квантовый принцип неопределенности оказывает решающее влияние на инфляционное поле, питающее стремительное расширение пространства. Хотя я описывал инфляцию как однородную, то есть принимающую одно и то же значение во всех точках в пределах инфляционной области пространства, квантовая неопределенность размывает это утверждение. Неопределенность накладывает квантовую дрожь на классическую однородность, в результате чего величина поля, а следовательно и его энергия, оказывается здесь чуть выше, а там чуть ниже.

Когда инфляционное расширение стремительно растягивает эти крохотные квантовые отклонения энергии, они распространяются на все пространство, делая температуру чуть выше в одном месте и чуть ниже — в другом. Ненамного. Математические расчеты, впервые проведенные физиками в 1980-е гг., показали, что температуры горячих и холодных пятен должны отличаться всего на чуть-чуть, на одну стотысячную долю. Но математика также подсказала, что эти крохотные температурные вариации должны быть видимы, если знать, как их искать. Расчеты показали, что растянутая квантовая дрожь порождает в пространстве вполне различимый рисунок температурных вариаций — оставляет своеобразный космологический «отпечаток пальца», доступный для астрономической экспертизы. И в самом деле, с начала 1990-х гг. несколько телескопов, запущенных в космос, чтобы избежать искажений, вносимых земной атмосферой, один за другим подтвердили предсказанное распределение температурных вариаций со все возрастающей точностью.