Борис Штерн - Прорыв за край мира

Кроме того, что планковский масштаб фундаментален и пределен, он, увы, темен для нас. Дело в том, что общая теория относительности (а с ней и любая другая теория) перестает работать на планковском масштабе. Теория гравитации Эйнштейна — сугубо классическая теория. Электродинамика Максвелла — тоже классическая теория, но на ее основе удалось построить квантовую электродинамику.

Квантовой теории гравитации построить не удалось. Трудности, возникающие из-за сильной нелинейности теории и неустранимой расходимости интегралов, оказываются непреодолимыми. Хотелось бы добавить «пока», но тема занятий под названием «квантовая гравитация» существует многие десятилетия, а ясной теории с таким названием так и не просматривается. Если будет найден адекватный язык, на котором квантовая гравитация будет конструктивно сформулирована, это станет великим достижением. Сейчас квантовую гравитацию пытаются сформулировать на языке теории струн — в этом направлении есть свои достижения, а также свои проблемы.

15.1. Сальвадор Дали. Время на планковском масштабе (изображение из «Википедии»)

Мы перечислили планковские единицы, включающие планковскую плотность. При такой плотности понятия расстояния и времени теряют смысл — это свойства классического пространства-времени. А в этом случае пространство-время становится сугубо квантовым, все «часы» и «линейки» перестают работать. Что это такое и что там происходит, можно только фантазировать. Кажется Джон Уиллер предложил на этот счет красивую метафору «пространственно-временная пена», имея в виду, что там должны появляться и исчезать любые мыслимые и немыслимые топологические пространственно-временные образования.

Вопрос о планковской плотности отнюдь не эквивалентен вопросу о числе ангелов на острие иглы — от него нельзя отмахнуться, как от нереализуемой абстракции. Она еще как реализуема!

Возьмем образование простой черной дыры при коллапсе звезды. На языке классической теории гравитации центральная часть звезды необратимо сжимается, уходит под горизонт Шварцшильда, теряя с нами причинную связь. Но и внутри горизонта с точки зрения сопутствующего наблюдателя вещество продолжает необратимо сжиматься — в сингулярность, в точку, где плотность бесконечна.

Это по классической теории, а по квантовой коллапсирующая материя должна упереться именно в пространственно-временную пену с планковской плотностью. Там решение Шварцшильда перестает работать, и никакого другого решения не существует — нет теоретического аппарата. Остается рассуждать (to speculate) и фантазировать. Зато фантазии оказываются захватывающими: из этой пены может брать начало множество новых вселенных. Причем, как будет рассказано ниже, есть качественные соображения, указывающие на то, что подобные фантазии отнюдь не беспочвенны. И наша Вселенная тоже проистекает оттуда, из «пены».

А теперь позвольте автору после длинного напряженного экскурса к пределу физического мира слегка повеселиться. Если бы я был теологом, я бы сделал карьеру на теории, что Бог в распределенном виде обитает на планковских масштабах, в этой пространственно-временной пене. Он там принимает коллапсирующие вселенные и звезды, испускает новые вселенные с разными свойствами -с будущими наблюдателями и без оных — и надежно прячется от физиков-теоретиков за непрошибаемыми проблемами теории квантовой гравитации. Ниже обсуждается то, что он там, может быть, делает еще одну очень важную вещь — играет в кости (Эйнштейн заявлял по поводу вероятностной интерпретации квантовой механики: «Бог не играет в кости!»). Действительно, физики с каким-нибудь надежным математическим аппаратом туда еще не скоро доберутся, чтобы показать, как это всё работает без Бога. Поэтому подобной карьере в обозримом будущем ничего не грозит. Правда, боюсь, что я уже опоздал с такой идеей…

Явления фазовых переходов хорошо известно всем из повседневной жизни: испарение и замерзание воды, плавление олова. Из менее повседневных явлений — возникновение сверхпроводимости, появление ферромагнетизма при остывании металла.

Вселенная тоже испытывала фазовые переходы в своей ранней истории. Явления, о которых рассказывается в этой главе, лежат немного в стороне от главного сюжета книги. Но без рассказа о них космология для читателя сильно потеряет в своей выразительности.

Вселенная сразу после Большого взрыва очень быстро остывала и расширялась. Был ли этот процесс гладким? Конечно, нет. Какие-то частицы исчезали, аннигилируя со своими античастицами. В какие-то моменты нарушалось и потом восстанавливалось термодинамическое равновесие. В какой-то момент образовался маленький избыток барионов над антибарионами (напомним, барион — частица, состоящая из трех кварков, стабильными барионами являются протон и нейтрон в ядре). Благодаря этому не все барионы проаннигилиро-вали с антибарионами, и через миллиарды лет во Вселенной стало можно жить. И, самое главное, менялся вакуум — с ним происходили фазовые переходы, вполне похожие на фазовые переходы в веществе.

Картина этих фазовых переходов, правда, не столь проста и не во всех случаях надежно установлена. Попытаемся пройтись по ранней истории Вселенной в направлении к самому ее началу.

Последний фазовый переход — это рекомбинация — от плазмы к нейтральному газу. Это обычный фазовый переход вещества, он (в отличие от более ранних переходов) не связан с перестройкой вакуума. Напомним, что произошел он через 380 тыс. лет после рождения Вселенной.

Предыдущий фазовый переход случился в первые доли секунды при температуре Вселенной около 200 МэВ. Именно тогда возникли протоны и нейтроны, из которых ныне состоит наш мир. До этого существовали лишь свободные кварки и глюоны, составлявшие вместе с электронами, мюонами, фотонами и нейтрино газ релятивистских частиц. По мере остывания кваркам оказалось выгодно объединиться в тройки. Так устроены сильные взаимодействия: их источником является так называемый «цветовой» заряд. Термин «цвет» введен потому, что этот заряд «трехзначен»: удобно назвать состояния заряда «красный», «зеленый» и «синий» — тогда их комбинация будет «белой» — нейтральной. Именно поэтому кварки объединились по три, чтобы дать нейтральные по цвету капельки, известные нам как протоны и нейтроны, — так стало энергетически выгодно с падением температуры. На языке физики частиц это явление называется «кон-файнмент» (пленение, удержание).

Точнее, фазовый переход от газа кварков к нуклонам был не фазовым переходом, а кроссовером. Разница хорошо видна на обычной фазовой диаграмме воды. Четкая линия, разделяющая воду и пар, заканчивается в критической точке. Пересечение этой линии есть классический фазовый переход. Но путь от воды к пару может обходить критическую точку сверху, как показано на рисунке, тогда никаких резких скачков не происходит и всё меняется плавно.