№ 17/17

Кратчайшая история космоса

Название этой статьи, разумеется, навеяно знаменитой хокинговской «Краткой историей времени», но оно имеет и собственное оправдание. Речь идет, действительно, об истории космоса, а точнее, о новых, поистине головокружительных гипотезах касательно того, что происходило, происходит и будет происходить в Большой Вселенной (в которой наша наблюдаемая вселенная составляет ничтожную часть), на протяжении всего бесконечного времени ее существования. Раз речь идет о том, «что происходило и будет происходить», то это, естественно, «история». Ну, а «кратчайшая» она — по необходимости, учитывая размеры нашей статьи.

Итак, о гипотезах. Они выдвинуты в самое последнее время группой ведущих космологов-теоретиков и основаны на представлениях так называемой теории струн. Гипотезы претендуют не только заменить ныне принятую «инфляционную теорию» образования нашей вселенной, но и объяснить, как уже сказано, что было «задолго до Биг Бэнга» и что будет «много позже него». Сами авторы говорят , что эти идеи являются «наиболее дерзкими» из всего, что до сих пор предлагалось в космологии. Тем более любопытно, что же это за идеи.

В предельно кратком изложении они сводятся к утверждению, что существует бесконечное множество бесконечных во времени «малых вселенных», подобных той, в которой живем мы сами. Что, далее, все эти вселенные расположены «параллельно» друг другу, подобно «листам» в многомерном пространстве. Что «история» каждого такого листа-вселенной определяется его периодическими столкновениями с соседними «листами»-вселенными; и, наконец, что эти столкновения как раз и представляют собою то, что нынешние теории называют Биг Бэнгом и считают моментом «рождения» нашей вселенной. Вот, в сущности, и вся «кратчайшая история космоса», а дальше начинаются детали, и в них-то, как всегда, и содержится самое интересное.

Начало современных представлений о строении и истории вселенной можно датировать моментом появления основополагающей теории гравитации, или «общей теории относительности», разработанной Эйнштейном. На основе этой теории Эйнштейн создал первую теоретическую модель вселенной, которая представляла собой наполненный веществом статичный шар (гравитационное притяжение всех скоплений вещества друг к другу строго компенсировалось искусственно постулированным «полем отталкивания», или «космологической постоянной»). Неустойчивость этой модели — при малейшем отклонении от точной компенсации такая вселенная стягивалась в точку или разлеталась в бесконечность — вынудила теоретиков искать другие возможности, и здесь наиболее общие решения были найдены Александром Фридманом.

По Фридману, вселенная должна была, действительно, расширяться или сжиматься в зависимости от средней плотности вещества в ней. Открытие Хабблом факта разбегания галактик подтвердило, что наблюдаемая нами часть вселенной как раз расширяется (то есть ее объем равномерно увеличивается). Это привело к представлению о «начале вселенной», и Георгий Гамов с сотрудниками, исходя из распределения химических элементов в космосе, показали, что такая начальная вселенная должна была представлять собой сверхплотный и сверхраскаленный комок вещества.

Отсюда родилась идея Биг Бэнга как того взрыва первичного комка, который и привел к наблюдаемому сейчас расширению вселенной. Поскольку средняя плотность вещества во вселенной не поддавалась точному выяснению, можно было думать, что такая расширяющаяся вселенная имеет только два возможных будущих — равномерно расширяться до бесконечности либо, дойдя до определенных размеров, когда гравитация все-таки возьмет верх над инерцией разлета (как в случае брошенного вверх камня), начать сжиматься, все более разогреваясь и уплотняясь (конечный итог такого сжатия получил название Биг Кранч, или Большой Хруст).

Впрочем, в последнее время возобладало мнение, что наша вселенная будет расширяться вечно, поскольку было обнаружено, что она расширяется сейчас не равномерно, а с ускорением, как будто в ней действует какое-то «распирающее» ее поле, превозмогающее гравитацию.

Теоретическое изучение «первичного комка», проведенное Аланом Гутом, показало, что в первые доли мгновенья после Биг Бэнга (в период так называемой инфляции) ускорение, с которым расширялся этот комок, было чудовищно огромным, и это в конечном итоге вызвало его расслоение на непредставимо огромное множество непредставимо огромных участков, или «горизонтов», в одном из которых мы и пребываем сейчас, называя его «нашей вселенной». Инфляционная теория Гута претерпела некоторые изменения, внесенные Андреем Линде и Полом Стейнхардтом, но в целом стала общепринятой в космологии. Но даже в этой «новой инфляционной теории» все равно содержался некий затруднительный пункт.

Как проказали расчеты Хокинга и Пенроуза, вселенная в начальный момент должна была представлять собой не комок вещества определенных размеров, а лишенную размеров особую точку или, как говорят, сингулярность. Особость этой сингулярности состояла в том, что плотность вещества и энергии в ней должна была достигать бесконечности (поскольку размеры ее были равны нулю).

А все уравнения теории Эйнштейна при бесконечных значениях плотности и энергии становятся бессмысленными – физика «исчезает», она более не применима. Мало этого – в такой сингулярности исчезают сами время и пространство. Получается угрюмая картина: вселенная рождается из «нуля», ускоренно расширяется, порождая галактики и другие скопления вещества космических масштабов, и постепенно раздувается до бесконечности, так что плотность вещества устремляется к нулю — и вселенная «сходит на нет», умирает.

Новая теория, предложенная упомянутым Стейнхардтом в сотрудничестве с Нейлом Туроком и другими коллегами, обходит все эти трудности — но ценой полного отказа от привычных представлений о природе вселенной. Начало этому отказу было положено уже давно, в 1920-е годы, когда два физика, Калуца и Клейн, задумали построить теорию еще более общую, чем общая теория относительности, —такую, чтобы ее уравнения описывали не только гравитационное, но и электромагнитное поле. Они показали, что это можно сделать, если считать вселенную не четырех-, а пятимерной (четвертое измерение нашей вселенной — это время). Пятое (пространственное) измерение в такой вселенной оказалось «скрученным само на себя», подобно туго свернутому листу бумаги, который при таком сворачивании становится тонкой трубочкой. Если мысленно вообразить себе такую тонкую трубочку, что, глядя ей в торец, мы видим не кружочек, а практически точку, это и будет аналог «свернутого» пятого измерения в теории Калуцы-Клейна.

Казалось бы, что толку от такого, практически несуществующего измерения? Оказывается, теоретический толк от него громаден. Уравнения Эйнштейна-Максвелла, переписанные для пяти измерений, немедленно привели к предсказанию закона сохранения электрического заряда и к другим содержательным физическим выводам. Но в теории были свои затруднения (она, например, предсказывала, что гравитационная постоянная в законе Ньютона должна меняться со временем), и поэтому она была заброшена.

В наше время, когда были обнаружены и другие силы природы, кроме гравитационных и электромагнитных, снова возникло стремление найти уравнения, из которых следовали бы законы, управляющие всеми силами сразу. Наиболее далеко в этом направлении продвинулась теория суперструн. В ее основе лежит представление о микрочастицах вещества как о тончайших и крохотных струнах, находящихся под огромным натяжением (оно соответствует энергии частиц).

Эта теория, как и теория Калуцы-Клейна, тоже оказалась способной объединить законы различных физических взаимодействий в единых уравнениях, но платить за это и здесь пришлось переходом к многомерному, на сей раз десятимерному, пространству (девять измерений которого пространственны, а десятое — время). Поскольку шесть новых измерений мы ни увидеть, ни обнаружить не в состоянии, пришлось предположить, что все они тоже свернуты в «трубку» крайне малой толщины – в первых вариантах теории эта толщина была порядка мельчайшей пространственной единицы, так называемой планковской длины (10-33 сантиметра). В последние годы, однако, на смену исходной теории суперструн пришло ее обобщение, именуемое М-теорией (некоторые энтузиасты расшифровывают это название как «Материнская теория», то есть теория, из которой следует «все остальное»). В ней пространство уже одиннадцатимерно, причем одиннадцатое измерение — это некое расстояние, которое может быть очень большим (оно не «свернуто»).

Поскольку та космологическая гипотеза, с которой мы начали статью, построена как раз на основе М-модели, скажем коротко, как выглядит мир (космос) в этой теории. Это 11-мерный мир, 6 пространственных измерений которого свернуто в трубку, но, возможно, не так туго, как думалось раньше, вплоть до того, что, возможно, глядя на эту трубку в торец, мы увидим не точку, а кружок диаметром до миллиметра! (Это, кстати, уже можно надеяться обнаружить и экспериментально.) Вещество, из которого мы состоим, и все силы, кроме гравитационной, сосредоточены в обычных четырехмерных «малых вселенных», каждая из которых представляет собой что-то вроде «листа» с толщиной, равной толщине, до которой свернуты остальные 6 измерений.

Эти листы-вселенные называются З-брэйн (3-brane), и они разделены неким расстоянием вдоль одиннадцатого измерения. Для наглядности можно себе представить две такие «малые вселенные» просто как две дощечки небольшой толщины, параллельные друг другу, подобно пластинам конденсатора (нужно только иметь в виду, что «дощечки» эти имеют 4 измерения: если их высота соответствует оси времени, то ширина — сразу всем обычным пространственным измерениям).

Теперь мы готовы понять, какую идею выдвигают Стейнхардт и Турок и к каким выводам она приводит. Эти авторы говорят, что гравитационная сила действует не только в пространстве каждого 3-брэйна, но и между ними. Поэтому два соседних «листа» притягиваются друг к другу и, обладая массой (ведь в каждом из них есть вещество), набирают огромную кинетическую энергию. По истечении какого-то громадного времени они «соударяются», что приводит к моментальному превращению всей этой накопленной энергии в тепло. Под воздействием этого тепла, выделившегося внутри каждого «листа», образующая его «малая вселенная» начинает раздуваться (это можно представить себе как растяжение четырехмерного листа во все стороны: увеличение его «ширины» соответствует чисто пространственному, «хаббловскому» расширению «малой вселенной», а рост его «высоты» соответствует нарастанию времени с момента столкновения).

Иными словами, столкновение двух «листов» ведет к тем же результатам, что привычный нам Биг Бэнг. «Это и есть Биг Бэнг, — говорят авторы, — только без всяких сингулярностей, без всякого стягивания «малой вселенной» в точку».

Что дальше? Представим себе, что перед столкновением в каждой «малой вселенной» практически не было вещества. Тогда энергия, выделившаяся в момент столкновения, начинает превращаться в частицы, которые самым случайным образом заполняют все пространство «листа». В каких-то местах этих частиц случайно больше, и такие микросгустки (квантовые флуктуации плотности) становятся «ядрами конденсации», на которых нарастает все больше и больше вещества, пока не образуются галактики и скопления галактик.

Возникает привычная нам картина нашей вселенной, в которой недостает только одного фактора — ее ускоренного расширения. Чтобы учесть и этот экспериментальный факт, авторы постулируют, что в одиннадцатом измерении между «листами» действует некое поле, которое, проникая в листы, играет роль силы, ускоряющей их растяжение (то есть ускоренное расширение находящихся в каждом «листе» малых вселенных). Действие этого поля между «листами» выглядит, по расчетам авторов, как действие гигантской «пружины». Когда две малые вселенные слишком близки друг к другу (непосредственно после соударения), пружина их расталкивает, когда далеки — притягивает.

Что это за «пружина», что является ее источником, авторы пока объяснить не могут. Но если мы примем, что межлистовое поле действует именно так, то понятно, что по истечении огромного времени разошедшиеся «листы-вселенные» снова должны начать сближаться для следующего соударения. К этому моменту за счет ускоренного расширения каждой из них вещество в них практически распалось «до нуля», то есть они снова практически «пусты». Очередной Биг Бэнг опять наполняет их зародышами будущих галактик и снова расталкивает оба «листа». Эти периодические столкновения, подобно ударам гигантских медных тарелок в оркестре, задают каждой малой вселенной ее бесконечную во времени историю: Биг Бэнг — образование вещества и ускоренное расширение — полный распад вещества с приближением вселенной к «тепловой смерти» — новый Биг Бэнг – и так без конца. Эту циклическую историю всякой вселенной Стейнхардт и Турок назвали «экпиротической», от греческого «рожденная в огне».

Даже не понимая математики, стоящей за этими построениями, нельзя не оценить дерзкий размах этой картины. Впрочем, она уже подверглась критике со стороны других космологов, так что относиться к ней следует именно как к гипотетической. Это не совсем «кратчайшая история космоса» — это, точнее, лишь «возможная кратчайшая история космоса». Но — очень интересная. Даже захватывающая.

Рафаил Нудельман

Научный взгляд

  • Звездные карты галактики «Человечество»
    В генетическом плане человеческий вид — континуум, где между расами нет четких границ. Границ нет, но континуум неоднороден, в нем наблюдаются «сгущения родства»: популяции, типы, расы, стволы.
  • Игра в жизнь, или Не сотвори себе микроба
    Кого же призовут к жизни создатели генетического алфавита? Возможно, на свет появятся организмы, готовые питаться радиоактивными отходами, словно травой на лугах. Другие микробы примутся расщеплять молекулы воды, изготавливая водород — источник энергии будущего.
  • Еще один важный шаг
    Израильские исследователи идентифицировали ген, ответственный за одну из неизлечимых наследственных болезней. В сущности, во всем мире ею страдают лишь несколько тысяч человек, однако это открытие явилось еще одним важным шагом на пути постижения генетики человека
  • Немецкие ученые утверждают: теория относительности Эйнштейна лжива!
    Большинство людей убеждены в том, что Альберт Эйнштейн был одним из величайших гениев в истории человечества, а его частная теория относительности явилась одним из крупнейших достижений науки. Неужели теперь всем нам впору «сжечь все, чему мы поклонялись»?
  • Прав ли Эйнштейн?
    Вряд ли какое-нибудь из научных свершений ХХ века можно сравнить по масштабам воздействия не только на ученый мир, но и на «широкие народные массы», с теорией относительности Эйнштейна.
  • Ревизия биологических вех
    Как известно, в ходе биологической эволюции на Земле то и дело происходили перерывы, когда в результате той или иной (климатической, геологической, космической и т.п.) катастрофы погибали многие прежние виды, а освободившиеся жизненные ниши захватывали новые
  • Поведение клетки, слезающей с ветки
    Одна из великих загадок биологии — сложные целенаправленные движения клеток. Клетки путешествуют, изменяют форму, охотятся — порой ведут себя, как «разумные» существа.
  • Давайте подождем, доктор Антинори!
    Доктор Джонатан Хилл из Корнельского университета, который занимается клонированием крупного рогатого скота, говорит, что примерно треть подсаженных в матку эмбрионов отторгается уже на первом месяце.
  • Вечная молодость мозга
    Разумеется, ученые нашли объяснение, почему у ящериц и других примитивных созданий мозг всю жизнь прирастает нейронами, а мы этого прибытка лишены. Каждый наш нейрон со всеми его связями, материализующими опыт, неповторим.
  • Кто бы мог подумать?
    Американские ученые вот уже который год подряд привязывают к серьезной и торжественной стокгольмской процедуре вручения высочайших научных наград свою насмешливую и веселую затею вручения «Иг-Нобелевских» знаков отличия за самые смешные исследования и бесполезные открытия года.
  • Космический мирок микробов
    С помощью генетических манипуляций можно заранее, еще при подготовке к полету, изменить ДНК этих микроорганизмов, приспособив их к марсианскому образу жизни. Со временем, когда климат на Марсе удастся изменить, а бактерии взрыхлят его почву и насытят ее питательными веществами, можно будет выселять на Марс высшие растения.
  • Зеркальные нейроны
    Тот факт, что зеркальные нейроны именно «повторяли» наблюдаемое действие, а не просто возбуждались при его наблюдении, подтвердился, когда экспериментаторы поощряли обезьян проделать то же действие своими руками.
  • «Make love, not war»
    «Наивысшей точкой их интеллектуальной жизни является умение решать конфликты и чуткость в отношениях с близкими».
  • Мы не обезьяны. И обезьяны — не мы
    Человек — венец природы. Это принимается «for granted» и приятно щекочет наше человечье самолюбие. Хотя у тех из нас, кто имеет склонность к сомнениям и самоанализу, нередко возникает вопрос: не льстим ли мы себе?
  • Феномен Пригожина
    Фундаментальные характеристики мироздания, утверждает он — нестабильность, неравновесность, нелинейность, ни к чему простому не сводимая сложность.
  • И все-таки — Африка!
    В давнем и яростном споре «африканистов» и «мультирегионалистов» произошло очередное важное событие.
  • О предках, потомках и друзьях человека
    Рыцарские замки нашей фантазии украшены залами, где взорам гостей предстают блистательные портреты хозяев, а по обе стороны от них тянутся ряды предков, поражающие проблесками фамильного сходства, но уводящие к портретам совсем незнакомым
  • Время прощаться с квазарами
    Некоторые открытия впору назвать «закрытиями». Одно из последних событий в астрономии к таковым и относится. В течение десятилетий астрономы изучали квазары, и вот объект их научной страсти исчез.
  • Наши кремниевые коллеги
    А в одном английском университете города Абериствит пошли еще дальше и объявили о создании первого робота-микробиолога. Робот осуществляет эксперименты, разработанные программой ASE-Progol на компьютере в Йоркском университете.
  • Апокалипсиса не будет?
    На Западе защитники окружающей среды и антиглобалисты своими поступками часто напоминают тени знакомого прошлого — русских социалистов ХIХ века. Живя в благополучном обществе, они всячески расшатывают его из сочувствия к «падшим и угнетенным».
  • Как человек сам себя сотворил
    Современный человек — создание во всех отношениях необычное. Оказывается, еще и тем, что генетические различия между всеми людьми Земли ничтожны. Чего не скажешь о внешности — наверное, нет в природе еще одного такого же пестрого вида! Что же сделало возможным такое разнообразие?
  • Химия и жизнь: опасные связи
    В древности основным материалом было дерево; еще и сейчас запах деревянного дома кажется нам «удивительно здоровым». Теперь мы выбираем пластик, прессованные плиты, лаки и краски с их неповторимо резким запахом и надписью на этикетке: «Следует избегать попадания в пищу». А в дыхательные пути?
  • Могущественная крупица
    В известном смысле можно сказать, что гомеопатия лечит ядами, однако берутся они в таких микродозах, что само вещество уже почти не присутствует в растворе. На уровне десятого — двенадцатого разведения исходная субстанция практически отсутствует.
  • Запишите на ваши водофоны!
    Вода не похожа на другие жидкости. Возможно, она обладает памятью! Быть может, в таинственных свойствах воды коренится загадка гомеопатии?
  • Между чумой и эболой
    Болезнь, вызвавшая Черную смерть, бушевала в Европе в течение 300 лет, до 1666 года. За это время вспышки болезни наблюдались в самых отдаленных местах континента почти каждый год.
  • Возбудить ось сверхсознания
    Внушение, зомбирование, программирование поведения требуют измененных состояний сознания. Одна из дверей, ведущих туда, — психоактивные вещества, наркотические снадобья. Но далеко не единственная.
  • Конец прекрасной эпохи?
    Фундаментальная загадка, о которой упоминалось вначале, связана с движением галактик. Эти огромные звездные скопления демонстрируют явные отклонения от законов движения Ньютона.
  • Петербургский десант
    Семиотика — наука о знаках и знаковых системах — давно стала для гуманитарных наук «всем», она помогает навести порядок в изобилии фактов и фактиков.
  • Зигфрид и лесные врачи
    Изучение животных долго сводилось к их изгнанию из естественной среды обитания и последующему наблюдению за ними в неволе. Когда же ученые вошли в глубь леса, в племя обезьян, им предстала чужая — нечеловеческая — культура.
  • Чем человек отличается от обезьяны
    Чем генетически отличается человек от обезьяны и как это отличие возникло — скачком, благодаря нескольким считанным и резким мутациям, или постепенно, посредством накопления многочисленных мелких мутационных изменений?
  • Вторая жизнь генома: от структуры к функции
    Уотсон и Крик в апрельском номере журнала «Nature» за 1953 год сообщили о трехмерной структуре ДНК. Это было официальным началом современной молекулярной биологии, ее мощным стартом.
  • Большой климатический спор
    Вечна ли вечная мерзлота? В чем особенность вечномерзлых пород? Она заключается в том, что из-за наличия в них льда характер грунтов резко меняется при изменении температуры.
  • Новая напасть
    Со времени отказа США участвовать в «Киотском протоколе» — международном договоре о сокращении количества «тепличных» газов, выбрасываемых в атмосферу, — борьба вокруг вопроса о возможных последствиях такого выброса стала еще острее, чем прежде.
  • Селектроны, струны и симметрия
    Когда сложность и запутанность физической картины мироздания стали нетерпимыми, ученые ХХ века предприняли беспрецедентные попытки ее упорядочивания.
  • Левый-правый мозг
    В отличие от краба, человек предпочитает работать не клешнями, а мозгом — который и приобретает у нас наибольшую асимметрию. Причем она неодинакова у разных отделов мозга — и тем выше, чем более «человеческую» функцию этот отдел выполняет.
  • Опасности года 2020
    Какое же будущее ждет нас, обреченных болеть и в 2020 году? Его попытались очертить Кристофер Мюррей из Гарвардского университета и Алан Лопес, представитель Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ).
  • Филлотаксис – это расположение листьев
    Филлотаксис — это по-латыни. А по-русски — расположение листьев. Вроде, что тут сложного? Ан, нет. Интерес к этому отнюдь не случаен. Он вызван прежде всего тем, что повторяющиеся элементы создают симметричные структуры — паттерны, а в них совершенно четко прослеживаются числовые закономерности.
  • Миры в столкновениях, века в хаосе
    На что же замахивался Великовский своей теорией столкновений? В 1955 году он опубликовал свою третью книгу — «Земля в конвульсиях», — в которой развернуто изложил свои общенаучные взгляды.
  • Обесславленные науки возвращаются в новом обличье
    Френология, или наука о черепах была создана кипуче талантливым человеком, двоюродным братом Дарвина Франсисом Гальтоном. Он утверждал, что все наши качества поддаются количественному описанию, и разъезжал по всей Англии, измеряя людям черепа.
  • Игры всерьез и понарошку на поле любви и секса
    Вообще-то это не удивительно: размножение, продолжение рода — главное, ради чего природа производит нас на свет. Удивительно другое: как ярко и с каким разнообразием игровое начало проявляет себя на поле любви и секса.
  • Пришел, пометил, победил. Вокруг да около секса
    Всего важнее репродуктивное поведение, обеспечивающее виду само существование. Оно отнюдь не ограничивается сексом. Нужны еще три компонента: поиск брачного партнера, ухаживание и забота о потомстве. Как они выглядят у человека?
  • В постели с человеком
    Вопреки известной пословице, далеко не все, что естественно, не безобразно. Например, секс — несмотря на явный потенциал удовольствия, он считается весьма и весьма «безобразным». Почему? Поищем ответ в недрах эволюции культуры и поведения.
  • Запах теплых отношений
    Особые вещества — одоранты — вызывают различные эмоции, от ярости до наслаждения, а феромоны могут даже управлять работой организма, влияя на тонус нервной системы, баланс гормонов, циклические процессы.
  • Этос — значит «дикий нрав»
    Сегодня этологией называют любые исследования поведения. Похоже, споры между разными направлениями в этой области становятся достоянием истории. Но так было не всегда.
  • Сражаться или спариваться —вот в чем вопрос!
    Если не поступает иной команды, самцы мыши готовы спариваться с кем угодно — с самкой, с другим самцом и даже с самцом-кастратом, в точном соответствии с призывом: «Make love, not war».
  • Картинки мироздания из коллекции палеонтолога
    Что же касается концепции стабилизирующего отбора, то сегодня у подавляющего большинства биологов представление о ней весьма смутное. А уж в учебниках — просто уголовное безобразие: там пишут ровно противоположное тому, что говорил Шмальгаузен.
  • Запрет на клонирование Христа?
    Некая дама спросила у известного физика начала прошлого века, в чем ценность сделанного незадолго до того открытия. На что тот ответил вопросом на вопрос: а в чем ценность рожденного младенца? Никто не может знать, кто вырастет из мальчика, который «маленький с кудрявой головой»…
  • Земной шар: грядет время игр
    Время не милосердно ни к людям, ни к планетам. Через шесть миллиардов лет Солнце превратится в «красного гиганта». Его диаметр неимоверно увеличится. Край Солнца будет почти задевать Землю. Наша планета покроется тягучим, раскаленным месивом. Все на ней будет выжжено дотла. Таким окажется финал земной цивилизации.
  • Берегите голову
    Мозг - это десятки миллиардов нейронов, каждый из которых связан с другими 10-20 тысячами связей, В секунду в мозгу возникает 200 тысяч сигналов. То есть это такая система, которую, наверное, никогда нельзя будет воспроизвести, и все разговоры об искусственном интеллекте носят спекулятивный характер.