Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе - Герайнт Фрэнсис Льюис

Впрочем, многие, включая таких физиков, как Стивен Хокинг, восприняли идею множественных миров вполне серьёзно.

Волновая функция Вселенной удовлетворяет уравнению Шрёдингера – это требование квантовая физика распространяет на все волновые функции. На каждый момент времени это уравнение даёт нам волновую функцию Вселенной в целом. Обращая уравнение назад во времени, мы в конце концов получаем волновую функцию на нулевой момент. Она и должна определять исходное состояние Вселенной. Волновые функции рассказывают нам обо всех параметрах объектов. Мы уже обсуждали здесь флюктуации вакуума и такие экзотические фазовые переходы, как образование вызывающих инфляцию инфлатонов – все это должно описываться начальной квантовой волновой функцией Вселенной.

Проблема любой интерпретации волновой функции – это роль учёного, так называемого наблюдателя. Правила квантовой физики, самой точной научной теории из всех, когда-либо предложенных, требуют, чтобы уравнение Шрёдингера прекращало выполняться, когда действует наблюдатель. Его действие как бы перезапускает ход времени. Волновая функция при этом мгновенно и резко меняется – этот процесс называется коллапсом. Часто говорят, что в волновой функции закодирована идея: всё, что может случиться, случается. И всё же мы, наблюдатели, видим лишь одну возможность: монета падает орлом или решкой, но не тем и другим сразу. Мы вызываем коллапс волновой функции. Но как тогда может быть, чтобы вся Вселенная описывалась волновой функцией, если действие одного наблюдателя может её изменить? И кому – или чему – в таком случае позволено быть наблюдателем? Учёному? Политику? Кошке?

Если отвлечься от проблемы мозга или сознания, то все согласятся, что люди состоят из физической материи, и мы с вами тоже должны описываться законами квантовой физики. И конечно, мы должны быть составной частью переменных, входящих в универсальную волновую функцию. Но нам представляется, что это не так. Многомировая интерпретация квантовой физики, предложенная Хью Эвереттом III, – самая противоречивая идея в научном поле и самая популярная вне его. Это единственная идея квантовой физики, которую сочинители историй и постановщики фильмов приняли всем сердцем. Кому же не понравится история, где герой оказывается в параллельной Вселенной? Где союзники проиграли вторую мировую войну или англичане – выиграли войну за независимость в Америке? Историки, конечно, не любят историй, противоречащих фактам, зато читатели научной фантастики их обожают!

Внутри физического научного сообщества, однако, многомировая интерпретация вызывает споры такого накала, как, пожалуй, никакая другая научная концепция. Из неё следует, что существует лишь одна универсальная волновая функция, вечно развивающаяся в соответствии с уравнением Шрёдингера. Всё, что может произойти, происходит. А так как волновая функция соответствует реальности, и, по-видимому, заключает в себе возможность существования множественных версий реальности, все они должны существовать. Да, выходит так: много реальностей, много миров.

В множественных реальностях многомировой интерпретации существуют наблюдатели с совершенно разным восприятием. Вы бросаете монетку, и она может выпасть орлом или решкой. Согласно многомировой теории, оба исхода одинаково реальны. С вашей точки зрения (допустим, вы наблюдатель, который видит орла), единственная реальность – та, что вы видите. Но во многомировой интерпретации существует и иной наблюдатель, идентичный вам во всех отношениях, кроме того, что видит, как монетка выпала решкой. Обе реальности разыгрываются параллельно, обе – части единой развивающейся универсальной волновой функции.

Заканчивая эту главу, мы явственно видим, как читатель изумлённо поднимает брови, ошарашенный идеей единой волновой функции Вселенной. Мы, конечно, отошли здесь от того, что некоторые назвали бы «настоящей наукой», к сфере научных спекуляций (некоторые сказали бы даже – «научных фантазий»). Но в действительности мы просто демонстрируем читателю, насколько мутной оказывается связь реальности с языком квантовой механики и общей теории относительности. Мы не знаем, действительно ли можно дать адекватное описание Вселенной в терминах волновой функции, или это чисто спекулятивная идея.

Здесь пора расстаться с концепцией универсальной волновой функции и вступить в представляющуюся безграничной область будущего, которое ожидает Вселенную. Она будет очень отличаться от Вселенной настоящего, и для того, чтобы представить, какой именно она может оказаться, придётся опираться на ещё более спекулятивные связи между квантовой механикой и общей относительностью.

В будущем гравитация и остальные силы продолжат борьбу за доминирование во Вселенной. И сейчас мы увидим, до чего необычной и причудливой она в конце концов может стать!

Часть 3

Квант космоса: будущее

Почему все мёртвые звёзды не становятся чёрными дырами?

Предшествующие главы показали нам, что у звёзд своя жизнь: они рождаются, живут, умирают. Как именно умирает звезда, зависит от её массы: ею определяется гравитационное сжатие звезды, а значит, и темп ядерных реакций в её недрах. Это означает, что некоторые звёзды могут закончить свою жизнь взрывом, но очень многие заканчивают её скорее «не взрывом, но всхлипом».[53]

Посмотрим ещё раз на самые массивные звёзды. Как мы уже знаем, они могут завершать своё существование ослепительным и грандиозным взрывом сверхновой, который виден во всей Вселенной. Звезду разрывает на части натиск бесчисленных призрачных нейтрино. Посмотрим же снова на то, что в действительности происходит внутри такой звезды.

Когда массивная звезда стареет, ядерное горение в её сердцевине продолжается до тех пор, пока не начинает образовываться железо. Оно отличается от всех остальных элементов, образовывавшихся на предыдущих стадиях жизненного цикла звезды: при его термоядерном преобразовании в более тяжёлые элементы энергия не выделяется, а поглощается. Ядерное горение в недрах звезды внезапно останавливается, и направленное наружу давление излучения падает. Теперь нет препятствий неизбежному сжатию под действием гравитации, и звезда коллапсирует – обрушивается внутрь себя. Плотность и температура в её ядре стремительно взлетают вверх, железо при этих условиях мгновенно преобразуется в более тяжёлые элементы, при этом выделяется огромное количество нейтрино, и звезда взрывается, разлетаясь в окружающее пространство.

Взрывается, разлетается… но не вся. Плотность резко растёт в самом центре звёздного ядра, а с нею растёт гравитационное сжатие, ускоряя коллапс. В некоторый момент этот процесс проходит критическую точку, за которой гравитационное сжатие остановить невозможно ничем. Образуется чёрная дыра, обычно в несколько раз больше, чем Солнце. Это остаток массивной звезды, окружённый разлетающейся в разные стороны и постепенно тускнеющей оболочкой.

Для звёзд массой поменьше процесс развивается очень похожим образом, но, хотя в коллапсирующем звёздном ядре плотность и силы гравитации тоже взлетают, они не достигают критической точки, после которой образуется чёрная дыра. Коллапс может быть остановлен! Но это происходит только после того, как электроны вдавливаются в атомные ядра и в протоны, превращая их в нейтроны. Образуется сверхплотный шар, состоящий целиком из нейтронов. Такая нейтронная звезда – объект крайне странный, даже отдалённо не напоминающий что-либо, встречающееся на Земле.

Если звезда ещё поменьше, вроде нашего Солнца, её смерть ещё менее драматична. Сейчас Солнце прошло примерно половину своего