Фрэнк Вильчек - Основы реальности

Реликты

Когда бушующий огненный шар из кварков, антикварков и глюонов остывает, частицы начинают слипаться в протоны и нейтроны, образуя атомные ядра. Модель Большого взрыва позволяет рассчитать их относительное количество. Оказывается, значительная часть нашего потенциального строительного материала — ядра обычного водорода ( 1H — одиночный протон) и гелия ( 4He — два протона и два нейтрона). Есть также примеси дейтерия ( 2H — один протон и один нейтрон, изотоп водорода), трития ( 3He — два протона и один нейтрон, изотоп гелия) и лития ( 7Li — три протона и четыре нейтрона). Все эти изотопы обнаружились благодаря методам спектроскопии в предсказанных пропорциях в средах, где не происходили процессы их переработки [100]. Все другие виды ядер образовались на гораздо более поздних этапах космической истории. Наблюдать и понимать их возникновение страшно интересно, но их связь с основными принципами не такая прямая.

Инфляционная модель

Как я подчеркивал выше, теория Большого взрыва полна странностей. Она предполагает существование условной отправной точки и постулирует, что материя в ранней Вселенной была чрезвычайно тонко организована, а точнее — крайне однородна, но ее гравитационная нестабильность нивелировалась.

Еще один таинственный аспект я прежде упомянул лишь вскользь, потому что детальное объяснение прервало бы мой рассказ [101]. Теория Большого взрыва предполагает, что пространство евклидово, то есть «плоское».

Этот постулат согласуется с общей теорией относительности Эйнштейна, но все же необязателен. Теория относительности готова допустить и кривизну пространства. Нам нужна какая-то новая идея, объясняющая, почему природа не использует эту возможность.

Мой коллега из Массачусетского технологического института Алан Гут высказал по этому поводу блестящую и многообещающую мысль. Он предположил, что в начале истории Вселенная чрезвычайно быстро расширилась, и назвал этот процесс инфляцией (от лат. inflatio — «раздувание»). Интуитивно понятно, как это может помочь в поиске ответов на наши вопросы. Если Вселенная быстро расширяется, концентрация неоднородности материи падает, а также уменьшается ее кривизна [102].

Действительно ли подобное произошло? Хотелось бы так думать, но было бы хорошо конкретизировать представления о том, как это случилось, и найти более веские свидетельства в пользу инфляционной модели.

Эта гипотеза не вытекает логически из наших основных законов. Для инфляции требуются дополнительные факторы. Андрей Линде и Пол Стейнхардт высказали предложения о некоторых силах и полях, которые могли бы ее запустить, но пока их существование ничем не подтверждено. Обоснованная инфляционная модель помогла бы нам более тщательно проверить основную идею и выявить новые следствия. К сожалению, пока такой модели нет. Зато остается огромный простор для открытий.

Вперед в прошлое

Космический микроволновый фон — долгоживущее послесвечение Большого взрыва — открывает нам окно в раннюю историю Вселенной. Как вы помните, его составляют фотоны, присутствовавшие в огненном шаре, когда он только охладился и стал прозрачным. Это случилось примерно через 380 000 лет после Большого взрыва. По сравнению с 13,8-миллиардолетним возрастом Вселенной срок невероятно короткий; множество интересных событий произошло еще раньше.

Мы хотели бы изучить и их тоже. Провести подобное «расследование» будет непросто, но надежда есть. Например, в окружающем нас пространстве должно быть еще минимум два других послесвечения. Их происхождение примерно такое же, как у космического микроволнового фона. Они образуют потоки нейтрино и гравитонов [103].

Поскольку и нейтрино, и гравитоны слабо взаимодействуют с другими видами материи, огненный шар стал для них прозрачным намного раньше, чем для фотонов. Как следствие, долгоживущие послесвечения нейтрино и гравитонов хранят еще более древние сообщения. В частности, гравитоны могут дать нам представление о том, что случилось через малые доли секунды после Большого взрыва, — и преподнести много сюрпризов. Мы могли бы узнать, что происходит при гораздо более экстремальных температурах и других параметрах, чем все достижимое в земных лабораториях и, скорее всего, вообще где-либо в современной Вселенной. Например, если бы нам повезло, мы увидели бы вспышку гравитационного излучения, испускаемого быстродвижущимся веществом во время космической инфляции.

Наблюдение за более экзотическими послесвечениями затруднено из-за той же особенности, которая делает его таким увлекательным: эти частицы очень слабо взаимодействуют с прочей материей, настолько, что Вселенная становится для них прозрачной. Нам понадобятся новые высокочувствительные антенны и телескопы, чтобы вообще их увидеть. Эти приборы вряд ли будут похожи на те, что используются для регистрации фотонов, — здесь много возможностей для творчества. А возможно, есть также и другие долгоживущие послесвечения, вызванные частицами, существование которых еще не установлено.

Таким послесвечением могла бы оказаться темная материя. Я, как и большинство моих коллег, склоняюсь к подобному мнению. Точнее, я подозреваю, что это послесвечение вызвано аксионами. Я расшифрую и обосную это утверждение в главе 9.

Самое начало

Чем ближе мы к Большому взрыву, тем сильнее размывается наша космическая картина. По этой причине невозможно с уверенностью утверждать что-то про «самое начало»: концепция может оказаться ошибочной или даже бессмысленной.

Аврелий Августин в своей «Исповеди» сделал блестящее предположение по этому поводу, и, думаю, он был на правильном пути. Прихожанин спросил: «Что делал Бог, перед тем как сотворил Вселенную?» Августин пишет, что первым побуждением его было ответить: «Готовил ад для людей, задающих слишком много вопросов». Но он очень уважал прихожанина, себя и Бога, чтобы такое сказать. Так что он серьезно задумался и помолился об ответе: вопрос мучил и его самого.

В результате Августин серьезно углубился в размышления о природе времени и сделал вывод, очень похожий на наш, описанный в главе 2. По сути, он пришел к заключению, что время — это то, что измеряют часы, — ни больше ни меньше. Так родился и ответ на вопрос прихожанина. Августин рассудил, что, пока Бог не сотворил мир, не было и часов — а следовательно, не было ни самого времени, ни понятия «раньше». Таким образом, вопрос «Что произошло до того, как Бог создал Вселенную?», если вдуматься, лишен смысла.

Суть ответа Августина сохраняется и при переводе на язык современной физической космологии. Ничто не предшествует зарождению Вселенной, потому что в этом контексте время — свойство, которое измеряют часы, — не имеет смысла.