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

силы тяготения в центре чёрной дыры могут пробить дыру в ткани Вселенной, создав так называемую кротовую нору – туннель в другую точку пространства, в другое время или даже в другую Вселенную. Это похоже скорее на научную фантастику, но эйнштейновская математика намекает на возможность существования таких удивительных образований. Фантастика может вдруг оказаться реальностью.

А что можно сказать о рождении Вселенной? Согласно Эйнштейну, всё пространство, всё время и вся материя обрели существование в момент Большого Взрыва. Но, как и в случае центров чёрных дыр, наша математика даёт здесь эффект бесконечности: гравитация доминирует, а остальные силы уходят на второй план. И, как было и с чёрными дырами, мы рассчитываем, что от этих бесконечностей можно будет отказаться, как только мы поймём истинную взаимосвязь между гравитацией и остальными силами. Каких же открытий мы ждём в этом случае?

Возможно, в общих чертах эйнштейновская картина верна. Возможно, пространство и время действительно начали существовать в исходный момент образования Вселенной. Возможно, наш математический аппарат неспособен увести нас дальше, и на вопрос «откуда взялась Вселенная?» ответа нет. Но большинство физиков с этой идеей смириться не могут и не считают, что она верна.

Основываясь на некоторых деталях уравнений Эйнштейна, многие полагают, что наша Вселенная – не начало всего, что она происходит из некоей предшествовавшей ей структуры. Как мы уже замечали в предыдущей главе, конец нашей Вселенной может вести к рождению новой, и этот процесс может указать на происхождение нашего собственного мира. Может быть, он был порождён гибелью массивной звезды в предыдущей Вселенной – звезды, коллапс которой привёл к образованию новой чёрной дыры, и от той, в свою очередь, отпочковалась новая Вселенная.

Или, может быть, наша Вселенная родилась в результате процесса, который для нас сейчас почти непредставим? Без математического языка, описывающего совместное действие гравитации и остальных сил, мы о нём можем только догадываться.

Чего ещё мы можем ждать от «теории всего»? Вспомним, что в нашем понимании Вселенной ещё зияет несколько лакун – и вот их-то новая теория может заполнить. В частности, в рамках стандартной модели физики частиц, которая очень хорошо объясняет все результаты экспериментов на Большом Адронном Коллайдере, мы сейчас не можем ничего сказать о «тёмной стороне» Вселенной – тёмной энергии и тёмной материи, которые в целом доминируют в космосе.

Как мы уже видели, многие физики предложили свои расширения стандартной модели, но сегодня ни одно из них не предсказывает, какими могут быть частицы тёмной материи. Они не наблюдаются ни в одном эксперименте на ускорителях и никак не проявляются в астрономических наблюдениях.

Ещё большую загадку представляет собой тёмная энергия: казалось бы, Вселенная прекрасно могла бы обойтись без неё. Почему она вообще существует? Сейчас многие полагают, что она имеет какое-то отношение к квантовой природе вакуума, но все теоретические вычисления демонстрируют прискорбную беспомощность попыток как-либо объяснить её природу.

Возможно, выработай мы «теорию всего», все кусочки пазла встали бы на свои места, и мы увидели бы, что тёмная энергия – естественная характеристика нашей Вселенной, играющая свою уникальную роль.

Что ещё мешает нам двигаться вперёд?

Вас, возможно, удивляет, что создать «теорию всего», оказывается, так трудно. Казалось бы, почему нескольким умным физикам не подумать хорошенько и не предложить, наконец, долгожданную теорию, которая охватывала бы действия всех сил, тёмную сторону Вселенной и ещё многое, многое другое?

Дело в том, что наука сейчас стоит перед довольно сложной проблемой. Мы уже отмечали, что современная физика построена на фундаменте общей теории относительности и квантовой механики, и что в своей области каждая из этих дисциплин исключительно успешна. Это значит, что какую бы экспериментальную проверку для них ни придумывали, они проходят её идеально.

В последнее десятилетие «вишенкой на торте» для стандартной модели физики частиц стало открытие на Большом Адронном Коллайдере бозона Хиггса. И каждый раз, когда физики запускают свой ускоритель частиц, результат эксперимента соответствует математическим предсказаниям стандартной модели.

Та же картина вырисовывается для общей теории относительности. Её звёздным часом стало открытие в 2016 году гравитационных волн. Эта еле заметная рябь пространственно-временной ткани Вселенной порождается в ходе некоторых наиболее мощных и высокоэнергетических событий во Вселенной. Но из-за слабости гравитационного взаимодействия эти волны переносят по Вселенной лишь очень малые количества энергии. После занявшей более полувека напряжённой работы – со срывами, случаями ложной регистрации, – лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория LIGO наконец зарегистрировала сигнал от слияния двух чёрных дыр в удалённой части Вселенной. За это открытие некоторые из основателей и руководителей LIGO – Райнер Вайсс, Кип Торн и Барри К. Бэриш – были удостоены Нобелевской премии 2017 года по физике.

За последние несколько лет LIGO стала полноценной астрономической обсерваторией, прочёсывающей небо и улавливающей сигналы высокоэнергетических событий во Вселенной. Регистрация таких сигналов сделалась рутинным занятием: люди и ухом не ведут, услышав о новых открытиях в этой области. Когда поступают новые данные, точные характеристики сигнала тщательно анализируют, чтобы проверить, нет ли в них каких-либо отклонений от предсказаний теории Эйнштейна. И каждый раз, несмотря на наличие различных альтернативных возможностей, в пределах инструментальной точности регистрации общая теория относительности неизменно подтверждается.

Эти строки пишутся в 2020 году, который, вероятно, запомнится надолго, и не из-за исследований по квантовой механике. За несколько месяцев до начала пандемии астрономы сообщили о новых наблюдениях двойной системы пульсаров. Система состоит из двух сверхплотных звёзд, оставшихся после гибели массивных звёзд-предшественниц. Каждая из них очень быстро вращается, и обе с огромной скоростью обращаются вокруг общего центра тяжести. Мы видим здесь все условия для применения теории относительности: огромные орбитальные скорости и скорости вращения, мощные гравитационные поля сверхплотных тел. Чтобы проанализировать и предсказать движения звёзд, физикам понадобилось рассчитать значительное искривление пространства и времени в их окрестностях. Им даже пришлось учесть сложное явление увлечения системы отсчёта, которое выражается в том, что пространство и время увлекаются за собой обращающимися по орбитам звёздами. Этот эффект приводит к тому, что ориентация оси вращения каждой из звёзд постоянно меняется во времени, причём не так, как это предсказывает небесная механика Ньютона. И что, по-вашему, показали измерения астрономов? Вы угадали – предсказания Эйнштейна опять оправдались! Но не стоит думать, что физики были в восторге от этого. Как мы уже говорили, такая ситуация для них, наоборот, в высшей степени неудовлетворительна. Ведь, как нам известно, ни квантовая механика, ни общая теория относительности сами по себе не могут дать исчерпывающего описания Вселенной. Для этого должно найтись что-то другое. Но природа упорно не даёт нам ключей для того, чтобы мы могли сделать следующий шаг. Ведь самые успешные физические теории родились из