Удивительные числа Вселенной - Антонио Падилья

Вселенной Эйнштейна. Хотя Леметр не утверждал прямо, его расчеты подразумевали, что эйнштейновский мир нестабилен. Он слишком полагался на шаткое перемирие между материей и космологической постоянной. Если нарушить это перемирие, изменив — даже чуть-чуть — плотность материи, Вселенная быстро превратится во что-то другое. И одно можно сказать наверняка: она никогда не будет статичной.

К концу 1920-х Хаббл смог точно измерить расстояние до галактик Слайфера. Сравнение скоростей их удаления подтвердило расширяющуюся модель Вселенной — в соответствии с космологиями, разработанными Фридманом и Леметром, и в противоречие с первоначальной моделью Эйнштейна 1917 года. В этот момент Эйнштейн начал активнее отвергать космологическую постоянную. Вселенная оказалась не статичной, поэтому в этой константе просто не было необходимости.

Часто говорят, что Эйнштейн назвал космологическую постоянную «самой большой ошибкой в своей жизни», хотя по-прежнему идут споры, сказал ли он это на самом деле. Точно известно, что Эйнштейн уже никогда не возвращался к этой идее. В обзорной статье, которую физик написал ближе к концу Второй мировой войны, он признался: «Если бы расширение Хаббла обнаружили во время создания общей теории относительности, космологический член никогда бы не появился». Несколько лет спустя в письме к Леметру он сетовал на уродство космологической постоянной и заявлял, что его всегда мучила совесть из-за этого члена уравнения. Что же касается «самой большой ошибки», то эти слова впервые произнес родившийся в Одессе, а позже переехавший в США физик Георгий (Джордж) Гамов. Хотя известный американский ученый Джон Уилер и утверждал, что слышал это замечание во время разговора между Гамовым и Эйнштейном в Принстоне, в этом существуют определенные сомнения — в основном из-за характера Гамова. Блестящий физик Гамов любил выпить и обладал озорным чувством юмора. Например, написав со своим учеником Ральфом Альфером статью о синтезе легких элементов, таких как водород и гелий, он добавил в число авторов физика Ханса Бете, который не имел к работе никакого отношения, — просто для того, чтобы получилось созвучие с названиями первых трех букв греческого алфавита: альфа, бета, гамма. В любом случае неважно, действительно ли Эйнштейн называл космологическую постоянную своей «самой большой ошибкой». Она, безусловно, меркнет по сравнению с его величайшим сожалением: в 1939 году он подписал письмо президенту Рузвельту, где предупреждал, что Германия может создать атомную бомбу, и тем самым поспособствовал разработке ядерного оружия в США.

Леметр не позволил себе впасть в уныние из-за критики Эйнштейна и продолжал размышлять о последствиях космологической постоянной и расширяющейся Вселенной. В письме в журнал Nature (опубликованном рядом с обсуждением насекомых, найденных в кишечнике кобры) в 1931 году он задавался вопросом, что произойдет, если мы вернемся во времени и представим Вселенную такой, какой она была давным-давно. Он осознал, что энергия всего — всех планет, звезд, импульсов излучения — будет втиснута в крохотное пространство, возможно в один неизвестный «квант». Леметр пытался разобраться с тем, что мы сейчас называем исходной сингулярностью, первичной точкой бесконечной плотности, знаменующей начало пространства и времени. Что касается космологической постоянной, то Леметр, в отличие от Эйнштейна, никогда не отказывался от нее. Он первым определил ее как энергию вакуума, но никогда не связывал ее с энергией нулевой точки и квантовой механикой. Если бы он так сделал, возможно, Эйнштейн вернулся бы к этой теории.

В следующие три десятилетия космологическую постоянную во многом игнорировала даже та горстка физиков, которая изучала космологию. Лучшие умы в этой области больше интересовались частицами, борьбой с микромиром и анализом структуры фундаментальных полей. Первоначально космологическую постоянную защищал священник. Возродил ее Яков Зельдович, входивший в число создателей советской атомной и водородной бомбы и один из шестнадцати человек, трижды удостоенных звания Героя Социалистического Труда — высшего звания в Советском Союзе. В конце 1960-х он соединил точки в космологическом вакууме, связав энергию нулевой точки Гейзенберга с космологической постоянной. Это были ресторанные вычисления Паули, но приправленные современными идеями. Как и Паули, Зельдович осознал неприятность. Чертовски серьезную.

Зельдович понял, что, если квантовая теория поля верна, вакуум заполнен бульоном из виртуальных частиц, постоянно появляющихся и исчезающих. Такой бульон должен добавить своеобразный вес вакууму, наполнив его таким количеством энергии и давления, что Вселенная уничтожится. Космологическую постоянную больше нельзя было игнорировать.

Спустя полвека после заявления Зельдовича проблема космологической постоянной все еще актуальна и даже усугубилась. Зельдович считал, что истинная космологическая постоянная должна быть равна нулю. Он не знал, как она исчезает и что может укротить суп из виртуальных частиц, но что-то должно быть. Возможно, какая-то симметрия? Тридцать лет спустя, в конце 1990-х, астрономы стали замечать свидетельства космического ускорения: далекие сверхновые удаляются от нас со все возрастающей скоростью. Это ускорение выглядит так, словно его вызывает космологическая постоянная, но это не та космологическая постоянная, которую предсказывает квантовая теория, и не безумие виртуальных частиц, возникающих и исчезающих в вакууме. Это космологическая постоянная, которая в 10–120 раз меньше.

Хотя истинное значение космологической постоянной вызывает ряд крайне сложных вопросов, ее существование обычно преподносят как внезапный триумф Эйнштейна. Пусть он в итоге от нее отказался, но ведь космологическая постоянная была его изобретением. Ускоряющаяся Вселенная — также триумф де Ситтера. По мере того как наша Вселенная расширяется, становясь все более разбавленной, кажется, что она приближается к миру де Ситтера — пустой и вечной Вселенной, которую движет вездесущая космологическая постоянная. Но один вопрос все же остается.

Почему она так чудовищно мала?

Счастливый билет

Ситуация становится отчаянной. Прошло почти столетие с тех пор, как Паули сидел со Штерном в гамбургском ресторане и утверждал, что Вселенная не дошла бы даже до Луны. За это время никто не придумал решения проблемы космологической постоянной, которое удовлетворило бы всех, а возможно, даже кого-нибудь. Мы знаем, что маленькие числа не должны появляться случайно, и тем не менее космологическая постоянная составляет 0,000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001 от ожидаемого значения. Естественность добилась блестящих успехов почти во всех других областях фундаментальной физики, но в космологическом вакууме она проваливается.

Одним из первых ее попытался спасти Нильс Бор. В 1948 году в своем вступительном слове на Сольвеевском конгрессе в Брюсселе он размышлял об энергии нулевой точки. Как и Паули, он знал, что если гравитация увидит ее, то взбесится, схлопнув пространство, поэтому, по его мнению, что-то должно заставлять ее исчезнуть. Он вообразил идеальный баланс в кипящем бульоне: одни частицы наделяют вакуум положительной энергией, другие отрицательной, и происходит компенсация. Словно вас окружает равное число ангелов и демонов. Ангелы несут вам дары счастья и радости, а демоны отнимают их. При их балансе вы ни счастливы, ни печальны. Возможно, так же обстоят дела и с космологической постоянной: одни виртуальные частицы пытаются толкать