Лев Шильник - Космос и хаос. Что должен знать современный человек о прошлом, настоящем и будущем Вселенной
Люди, далекие от физики, склонны полагать, что вакуум – это полное отсутствие чего бы то ни было. Между тем из теории элементарных частиц с необходимостью следует, что физический вакуум отнюдь не пустота, а минимальная энергия полей и частиц, не равная нулю. Он буквально нафарширован так называемыми виртуальными частицами, которые рождаются парами как бы из ничего (например, электрон и его антипод позитрон), от души резвятся наподобие бабочек-поденок и через мгновение гибнут в акте аннигиляции, оставив память о себе в виде кванта света – фотона. Время их жизни настолько мало, что не может быть измерено в принципе. Любой измерительный процесс ограничен естественным физическим пределом – скоростью света, а виртуальные частицы, выныривая из пустоты, разрушаются так быстро, что никогда не могут наблюдаться непосредственно.
Между прочим, тот факт, что «пустое» пространство не может быть абсолютно пустым, с очевидностью вытекает из законов квантовой механики. Если бы вакуум был совершенно пуст, это означало бы, что все поля (электромагнитное, гравитационное и проч.) в нем в точности равны нулю. Однако величина поля и скорость его изменения со временем аналогичны положению и скорости частицы, а принцип неопределенности Гейзенберга, как известно, запрещает одновременное знание обоих параметров: чем точнее известна одна из этих величин, тем менее точно известна вторая. Не два горошка на ложку – приходится выбирать что-то одно. Послушаем Стивена Хокинга, известного английского физика-теоретика:
Следовательно, в пустом пространстве поле не может иметь постоянного нулевого значения, так как тогда оно имело бы и точное значение (нуль), и точную скорость изменения (тоже нуль). Должна существовать некоторая минимальная неопределенность в величине поля – квантовые флуктуации. Эти флуктуации можно себе представить как пары частиц света или гравитации, которые в какой-то момент времени вместе возникают, расходятся, а потом опять сближаются и аннигилируют друг с другом.
Такие частицы являются виртуальными ‹...›, в отличие от реальных виртуальные частицы нельзя наблюдать с помощью детектора реальных частиц. Но косвенные эффекты, производимые виртуальными частицами, например небольшие изменения энергии электронных орбит в атомах, можно измерить, и результаты удивительно точно согласуются с теоретическими предсказаниями. Принцип неопределенности предсказывает также существование аналогичных виртуальных пар частиц материи, таких как электроны или кварки. Но в этом случае один член пары будет частицей, а второй – античастицей (античастицы света и гравитации – это то же самое, что и частицы).
Однако немедленно возникает вопрос. Закон сохранения энергии запрещает ее получение из ничего, а мы, предположив рождение частиц из пустоты, этот закон вроде бы нарушили. Ларчик открывается просто. Для начала рассмотрим, как ведет себя электрический заряд при рождении пары электрон – позитрон. Полный заряд остается равным нулю, поскольку минус (заряд электрона) на плюс (заряд позитрона) в итоге дает нуль. Просто в течение очень короткого времени суммарный нулевой заряд разделен на две равные половинки – положительную и отрицательную. Нечто подобное происходит и с энергией частиц: электрон имеет положительную энергию, а его античастица (позитрон) располагает, в некотором смысле, равным количеством отрицательной энергии. Таким образом, полная энергия все равно остается нулевой в момент рождения и последующего взаимоуничтожения виртуальных частиц.
Подобные соображения применимы и к рождающейся из ничего Вселенной. На первый взгляд, мы сталкиваемся с неразрешимым парадоксом, ибо доступная наблюдениям часть Вселенной содержит астрономическое количество частиц, из которых построено вещество. Откуда они все взялись? Ответ прост: в соответствии с квантовой теорией частицы могут рождаться из энергии в виде пар частица – античастица. Хорошо, но откуда берется умопомрачительное количество энергии? Материя, наполняющая Вселенную (планеты, звезды и галактики, собранные из частиц), обладает положительной энергией, но в мире есть еще и гравитация, энергия которой отрицательна, поэтому суммарная энергия Вселенной равна нулю, как и ее электрический заряд (количество протонов и электронов одинаково). Но что имеется в виду, когда говорят об отрицательной энергии гравитации?
Еще раз процитируем Хокинга.
Вещество во Вселенной образовано из положительной энергии. Но все вещество само себя притягивает под действием гравитации. Два близко расположенных куска вещества обладают меньшей энергией, чем те же два куска, находящиеся далеко друг от друга, потому что для разнесения их в стороны нужно затратить энергию на преодоление гравитационной силы, стремящейся их соединить. Следовательно, энергия гравитационного поля в каком-то смысле отрицательна. Можно показать, что в случае Вселенной, примерно однородной в пространстве, эта отрицательная гравитационная энергия в точности компенсирует положительную энергию, связанную с веществом. Поэтому полная энергия Вселенной равна нулю.
Весьма любопытно, что количество положительной энергии может удвоиться параллельно удвоению отрицательной, поскольку дважды нуль – все равно нуль. При стандартном расширении сие невозможно, поскольку по мере увеличения Вселенной плотность энергии падает. А вот в эпоху инфляции, как мы помним, плотность энергии фальшивого вакуума остается постоянной, несмотря на увеличение размеров Вселенной. Поэтому при удвоении диаметра нашего мира вдвое вырастут и положительная энергия вещества, и отрицательная энергия гравитации, а суммарная энергия Вселенной будет по-прежнему равняться нулю. А поскольку в фазе раздувания размеры Вселенной увеличиваются экспоненциально, на порядки порядков, то и общее количество энергии, потребное для образования частиц, тоже чудовищно возрастает. Вот вам, читатель, и ответ на вопрос, каким таким чудесным образом вся материя, заполняющая сегодня Вселенную, могла уместиться в крохотном объеме, сопоставимом с планковской длиной. Она там и не думала помещаться: когда инфлатонное поле упало до минимума, вся запасенная в нем потенциальная энергия ушла на рождение элементарных частиц.
Вернемся к началу начал, к первым мгновениям жизни нашего мира, когда он только-только готовился выпорхнуть из космологической сингулярности. Надо сказать, что сингулярность – весьма неуютное понятие, потому как изобилует частоколом очень неприятных бесконечностей: бесконечно малый объем, бесконечно большие плотность, масса и температура, бесконечная кривизна пространства-времени и прочее в том же духе. Физики неслучайно не любят бесконечностей, потому что всюду, где они появляются, начинается свистопляска: законы отказываются работать, формулы теряют смысл, а непротиворечивые описания расползаются по швам. В таком случае нельзя ли попробовать обойтись вовсе без сингулярностей, выкинуть их, так сказать, на свалку истории? Ведь разговор идет об исчезающе малых пространственно-временных масштабах, где классическая физика Ньютона – Эйнштейна уже не работает и где безраздельно царят законы квантовой механики. Быть может, пространство и время, подобно заряду, спину или магнитному моменту, тоже имеют некий предел делимости, то есть, другими словами, квантованы? Вправе ли мы сделать такое допущение?
А почему бы, в конце концов, и нет? Вполне вероятно, что в природе существует некая неделимая клеточка пространства, своего рода минимальное расстояние, которое не поддается дальнейшему дроблению. Если дело обстоит именно так, то ни одно тело не может схлопнуться в безразмерную точку. И звезда, и Вселенная в целом будут в этом случае коллапсировать до некоторого предела, пока не упрутся в непреодолимый рубеж, и тогда внутри черной дыры будет сидеть не сингулярность с ее утомительными бесконечностями, а своеобразный квант пространства, элементарный объем диаметром 10-33сантиметров. Поскольку преодолевать это расстояние следует одним махом (в противном случае мы оказались бы в некоторый момент посреди неделимого отрезка, что невозможно по определению), то должен существовать и квант времени – минимальная длительность любых процессов. Несложный расчет показывает, что она составляет порядка 10-43секунд, и обе эти величины, получившие названия планковской длины и планковского времени, нам уже хорошо известны.
Планковские величины, отталкивающиеся от фундаментальных констант – постоянной Планка, скорости света и гравитационной постоянной, – неизбежно приводят нас к еще одному важному показателю – максимально возможной плотности материи в нулевой момент. Теперь она уже не бесконечна, хотя и невообразимо велика – 1093г/см3. Эта величина превосходит всякое воображение, ибо плотность атомного ядра на фоне этих астрономических цифр смотрится едва ли не абсолютным вакуумом. Достаточно сказать, что десять солнечных масс (а Солнце – это звезда средней величины с диаметром около 1,4 миллиона километров) без труда уместятся в объеме, вполне сопоставимом с ядром атома водорода. Температура такого сверхплотного сгустка тоже зашкаливает за все мыслимые пределы и составляет примерно 1032градусов Кельвина.
