Геннадий Горелик - Кто изобрел современную физику? От маятника Галилея до квантовой гравитации

Фундаментальная загадка, занимавшая Сахарова более всего, — происхождение наблюдаемой Вселенной, нацелена на самое далекое прошлое, а ее разгадка связана с вопросом о будущем физики.

В наше время культурный человек, претендующий на знакомство с наукой, должен знать число 13,7. Иначе сайт Общественного радио США, посвященный науке и культуре, не сделал бы это число своим названием: www.npr.org/13.7/(русская десятичная запятая переводится английской точкой).

Впервые увидев это название, хочется проверить, действительно ли научно-культурные люди сразу поймут, что это — возраст Вселенной, выраженный в миллиардах лет. Проверить это в наше время легче всего, прогуглив «13.7». И получив почти четыре миллиона подтверждений плюс сотню тысяч уточнений:

«13.7 billion years» результатов примерно 3 920 000

«13.72 billion years» результатов примерно 113 000

Легко представить себе фаната науки, который, видя уточнение даты важнейшего события в истории Вселенной, ожидает, что вскоре наука выяснит эту дату вплоть до дня, чтобы затем отмечать день рождения Вселенной (только бы не 29 февраля). Долю таких фанатов среди просто научно-культурных людей оценим, разделив одно число результатов на другое. Получим, что доля эта — примерно один из тридцати человек, точнее, согласно моему калькулятору, один из 34,69026548672566.

Если читатель, не проверяя, заподозрит неладное в этой сверхточной оценке, значит, у него с научной культурой все в порядке. Действительно, из чисел, округленных до процента, не получишь результат с большей точностью. А если калькулятор получил, то лишь потому, что не умел проводить приближенные вычисления, фактически предполагая, что числа в него закладывают абсолютно точные.

Тот калькулятор, который впервые получил число 13,7, тоже не знал всех предпосылок своих арифметических действий. Предпосылки эти описаны в научных статьях и книгах. Их авторы, как обычно в науке, различаются во мнениях о точности исходных измерений — своих и чужих — и о роли других, более хитрых, предпосылок, но, уверен, сходятся в том, что уточнение величины «13,7» для науки не имеет особого значения. Знания о Вселенной, добытые с помощью космических и земных приборов, вовсе не сводятся к одному числу. Если какая-то предпосылка изменится и вместо 13,7 появится, скажем, 17,3, наука это легко переживет. Вот если появится величина, существенно меньшая, чем 13,7, — скажем, 7,13, то возникнет проблема. Дело в том, что известны звездные скопления, возраст которых больше 11 миллиардов лет.

Все это объясняется на сайте Космического агентства США (NASA), спутники которого собрали основные наблюдательные данные о Вселенной. Там же сказано, что нынешняя точность определения числа 13,7 составляет от 1 до 2 %, в зависимости от предпосылок. Отсюда следует, что говорить о величине 13,72, то есть о точности 0,1 %, и не научно, и не культурно.

А вот обсудить смысл понятия «возраст Вселенной» стоит. Определяют эту величину примерно так, как криминалист определяет, откуда стрелял пистолет, изучая отверстие в стене и пулю. Зная марку пистолета и, стало быть, начальную скорость пули, он рассчитает ее траекторию. Криминалисту гораздо труднее, если пистолет — уникальный, ручной работы, или если пуля вообще вылетела не из пистолета, а была, скажем, последней ступенью маленькой ракеты.

Аналогично астрофизик, измерив нынешнюю скорость расширения Вселенной, то есть скорость разлета галактик, пытается выяснить, когда расширение началось — когда произошел «выстрел», названный Большим взрывом. Роль пистолета выполняет уравнение гравитации Эйнштейна, которое описывает разлет галактик, если известны все формы вещества и энергии, заполняющие пространство. На сегодняшний день астрофизики имеют представление о веществе, составляющем, как считается, лишь около 5 % всей начинки Вселенной. Остальные 95 %, так называемые «темная материя» и «темная энергия», — дело темное. Сама же теория гравитации Эйнштейна, хорошо проверенная в масштабах Солнечной системы, предполагается применимой и в масштабах, в миллиарды раз больших.

Уже отсюда ясно, что за числом 13,7 кроются многие предпосылки. В одних астрофизики уверены на 99 %, в других меньше, о третьих спорят на конференциях. Так почему же число 13,7 (с точностью до процента!) вошло в сознание научно-культурной публики? Это случилось не так давно.

Оценки «возраста Вселенной» утряслись к ныне принятой величине еще в 1960-е годы, однако в публичную культуру научное число 13,7 вошло много позже благодаря С. Хокингу, автору самых популярных в истории физики книг, в одной из которых читаем:

При наблюдаемом количестве вещества во Вселенной решения уравнения Эйнштейна имеют одно очень важное общее свойство: некогда в прошлом (около 13,7 миллиарда лет назад) расстояние между соседними галактиками должно было равняться нулю. Другими словами, вся Вселенная была сжата в одну точку нулевого размера, в сферу нулевого радиуса. В тот момент плотность Вселенной и кривизна пространства-времени были бесконечны. Этот момент мы называем Большим взрывом.

Величина 13,7 здесь выглядит вполне научно-культурно, но ее объяснение, как сказал бы Ландау, — «обман трудящихся». Во-первых, «точка нулевого размера» — понятие чисто математическое, а не физическое. А во-вторых, и в самых главных, вместо исчезающе малой точки следовало бы поставить огромный вопросительный знак. Дело в том, что теория гравитации Эйнштейна, как обнаружил он сам еще в 1916 году, нуждается в квантовой доработке. Поэтому для физика и «решение уравнения Эйнштейна» осмысленно лишь тогда, когда имеет смысл само уравнение.

Квантовые границы нынешней теории гравитации и «обессмысливают» слова Хокинга о начальной точке. Уходя во все более давнее прошлое Вселенной, ее плотность, прежде чем стать формально бесконечной, приблизится к пограничной величине

Ρ cGh = c 5 /G 2 h ≈ 10 94г/см 3.

Дальше необходима теория квантовой гравитации, или cGh‑ теория. В физике пока нет понятий, с помощью которых можно говорить о явлениях за этой границей. И значит, слова о «Вселенной, сжатой в точку нулевого размера», и о моменте времени этого нулевого события — слова пустые. Речь должна идти не о точке, а о вопросительном знаке, поставленном в 1936 году Матвеем Бронштейном, который предсказал необходимость «отказа от обычных представлений о пространстве и времени и замены их какими-то гораздо более глубокими и лишенными наглядности понятиями». Если за cGh- границей не работает понятие времени, то нет и смысла говорить о моментах времени «за-граничного».