Теория Большого взрыва хорошо описывает процесс рождения Вселенной и все, что происходило с ней во время дальнейшей эволюции. Но она не дает ответов на многие важные вопросы. И один из них — что, собственно, вызвало Большой взрыв? Откуда взялась энергия для него и где источник первичной кварк-глюонной плазмы, из которой образовались все известные элементарные частицы?
Граница известной физики
Как мы уже знаем, относительно первых долей секунды жизни нашей Вселенной мы можем пока лишь строить теории — все доступные сегодня артефакты свидетельствуют лишь о ее более поздних этапах эволюции. Они, конечно, несут на себе отпечаток первых, однако являются только косвенными свидетельствами тех странных состояний, в которых пребывала материя в первые моменты своей жизни.
Однако возвращаясь в совсем глубокое прошлое, мы столкнемся с более серьезной принципиальной проблемой. Ученые имеют ограниченную возможность изучать кварк-глюонную плазму на Земле в своих лабораториях благодаря ускорителям частиц. Хотя энергии, на которых частицы сталкиваются в современных ускорителях (коллайдерах), чрезвычайно высокие, они все же ограничены современными технологиями — мощностью полей для разгона, силой направляющих магнитов, размерами коллайдера и тому подобное. В самом известном и мощном устройстве современности — Большом адронном коллайдере — протоны сегодня сталкиваются с энергиями 13 тераэлектронвольт. «Тепловое» столкновение частиц с такой энергией для Вселенной было характерно на ее первой стомиллиардной доле секунды жизни. А поведение материи на еще более высоких энергиях и соответственно на более ранних стадиях до сих пор никто не исследовал: предположения о них становятся все более призрачными по мере приближения к началу мира.
Ученые надеются, что существует единая фундаментальная теория, способная описать сразу все известные взаимодействия во Вселенной (гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное). Сегодня, например, мы доподлинно не знаем, как должна выглядеть теория квантовой гравитации. Проверка такой теории возможна прежде всего на сверхвысоких энергиях и плотностях материи, недоступных не только на Земле, но и вообще почти нигде в современном мире. Очень ранняя Вселенная должна была быть прекрасной лабораторией для исследования таких теорий большого объединения, как их принято называть.
По оценкам космологов, на 10-36 — одной секстильонной от одной секстильонной — секунды после рождения Вселенной энергия частиц (около 1015 ГэВ) в ней была достаточна, чтобы произошло объединение всех сил, кроме гравитации. Это примерно в несколько тысяч раз больше, чем энергия самой высокоэнергетической когда-либо зарегистрированной частицы (такие приходят к нам в виде космических лучей). Если попытаться перевести эту энергию в привычную нам «температуру», то получим 1028 градусов Кельвина — единичка и 28 нулей. Излишне и говорить, что постичь нашим ограниченным воображением такую температуру невозможно. Чтобы гравитационная сила начала играть значительную роль во взаимодействиях частиц, энергии должны быть еще на несколько порядков выше. Так называемые «планковские» величины плотности, температуры, расстояния и времени между взаимодействиями, вероятно, были достигнуты в очень ранней Вселенной — величины, которые ломают саму структуру пространства-времени. Например, ученые считают, что промежутки времени короче планковского (10-43 с) не могут существовать. В этот момент времени вся видимая Вселенная должна была бы уместиться в шарик радиусом 10-37 м — планковское расстояние.
Но хватит бросаться нулями налево и направо. Давайте зададим важнейший вопрос: из чего, собственно, возникла сама материя в том виде, в котором мы ее знаем? На сегодня космологи считают наиболее вероятным сценарием рождения всех известных частиц из первичного поля. Его еще называют инфлантонным, поскольку оно обусловило космическую инфляцию — гипотетический первый этап эволюции нашей Вселенной.
Проблемы начальных условий и космическая инфляция
Почти сразу после «победы» теории Большого взрыва над другими альтернативными теориями эволюции Вселенной в этой теории возникло несколько проблем, которым не находили объяснений. Самой серьезной из них, пожалуй, можно считать проблему начальных условий. Во-первых, при исследованиях реликтового микроволнового фона космологи заметили, что ранняя Вселенная была уж слишком однородной. Казалось бы, для газа или первичной плазмы в этом нет ничего удивительного — ведь однородным является газ в вашей комнате, или, например, на поверхности Солнца. Но здесь нюанс в масштабах. На момент рождения реликтового фона Вселенная занимала объем примерно в тысячу раз меньший, чем сегодня, ее радиус был всего 4 млрд световых лет (против сегодняшних 45). И все же — впечатляющий объем! И во всем этом объеме температура плазмы была примерно одинакова. Впрочем, на тот момент наш мир существовал слишком короткое время, чтобы газ в разных регионах смог прийти в равновесие между собой: ведь скорость света, как вы помните, конечна, и «причинно-связанными» могли быть только точки на расстояниях в несколько десятков тысяч раз меньших, чем тогдашний радиус Вселенной. Как же тогда она стала почти идеально одинаковой при таком большом объеме?
Инфляционный сценарий, разработанный в 1970-80-х годах Аланом Гутом, Андреем Линде и Алексеем Старобинским, предполагает следующее объяснение. Все эти не связанные между собой регионы имели контакт раньше, когда Вселенная была еще меньше. А «разнесло» их на причинно-несвязные расстояния (космологи говорят — «за хаббловский горизонт») во время космической инфляции — экспоненциального расширения Вселенной сразу после ее рождения. Обусловлено оно было присутствием первичного инфлантонного поля. Расширение изменило соотношение кинетической и потенциальной энергии поля, что привело к его распаду на обычную материю и окончанию инфляции. Но за невероятно короткое время (10-43–10-36 с) Вселенная увеличила свой объем в миллиарды миллиардов раз.
Также космическая инфляция решает некоторые другие проблемы теории Большого взрыва — например, невозможность наблюдения за некоторыми экзотическими объектами (топологические дефекты). Все такие объекты были вынесены инфляцией за пределы наблюдаемой Вселенной. Впрочем, эта теория имеет также и достаточно авторитетных критиков, среди которых — теперь уже нобелевский лауреат сэр Роджер Пенроуз.
И все же существует еще один вопрос, который космическая инфляция не решает, а, как шутят некоторые физики, стыдливо прячет под ковер. Простыми словами его можно сформулировать так: «За чей счет этот роскошный банкет?». Под «банкет» здесь имеется в виду наша Вселенная и вся бурлящая энергия и материя, в ней присутствующая. Но мы также знаем и о неумолимых принципах термодинамики. Первый ставит перед нами вопрос: откуда эта энергия могла взяться? Не дает покоя и второй: что привело Вселенную в начальное чрезвычайно низкоэнтропийное (маловероятное) состояние? Кто или что «накрутило» ее, как заводной будильник, чтобы она могла так долго звонить? Возможно, ответы на эти вопросы дает квантовое рождение нашего мира.
Рождение из флуктуации?
Как часто, по вашему мнению, вам приходится встречаться с квантовыми спонтанными процессами в быту? Возможно, вы будете удивлены, но поверьте — приходится! Значительная часть фотонов, которые мы видим как свет, была рождена именно в спонтанных переходах электронов с возбужденных энергетических уровней на стабильные в атомах и молекулах. Спонтанным можно считать также квантовое туннелирование. А значит — все радиоактивные распады являются спонтанными квантовыми процессами, по которым никогда нельзя точно указать момент, когда они произойдут, только посчитать вероятность, что это произойдет на определенном промежутке времени.
В квантовой теории поля (КТП) особое место занимают квантовые флуктуации. Это тоже спонтанные квантовые переходы. Согласно постулатам этой науки, все пространство заполнено нулевыми колебаниями всех существующих полей. Таким образом, вакуум, с точки зрения КТП — вовсе не пустое место. Этим полям свойственны флуктуации — кратковременные отклонения от среднего значения (нулевого уровня энергии в данном случае). Соответственно, вакуум постоянно бурлит этими маленькими отклонениями. Ученые называют их виртуальными частицами из-за короткой жизни и некоторых других свойств, отличающих их от реальных. Природа, однако, устроена таким образом, что рождение виртуальных частиц «из ничего» не нарушает ее фундаментальных законов — в частности, законов сохранения энергии. И все же эти флуктуации имеют вполне реальное влияние на мир реальных частиц. Ими обусловлены такие эффекты, как «лембовский сдвиг» (едва уловимое изменение спектра энергетических уровней в атоме водорода из-за взаимодействия электрона с виртуальными фотонами), а также эффект Казимира и другие. Да и упомянутые выше спонтанные переходы в атомах — тоже следствие взаимодействия с нулевыми колебаниями электромагнитного поля в вакууме.
Идея квантового рождения Вселенной заключается в том, что первичное поле возникло из этого «непустого» вакуума как флуктуация от своего нулевого уровня. Да, инфлантонное поле является квантовым, как и все поля в нашем мире, и ему тоже присущи флуктуации. В какой-то момент времени (если эта категория могла существовать перед рождением Вселенной) оно перешло из нулевого уровня в возбужденный в определенной области пространства (если эта категория тоже могла существовать перед рождением Вселенной). Однако в этом случае теоретикам еще нужно хорошенько поработать, чтобы объяснить, как виртуальная флуктуация стала реальной и приобрела настолько большое начальное значение, чтобы «драйвить» космическую инфляцию и родить все остальные поля после этого.
Удастся ли когда-нибудь найти строгое подтверждение этой гипотезы? Как знать… Некоторые намеки на ее правдивость можно отыскать в характеристиках возмущений материи, которые мы наблюдаем во Вселенной сегодня. Они несколько напоминают возмущения, порожденные квантовыми флуктуациями. Также есть слабая надежда уловить прямо или косвенно первичные гравитационные волны — фон, аналогичный реликтовому микроволновому и нейтринному, о которых вы уже знаете. Эти волны были рождены сразу после конца космической инфляции и могут принести много интересной информации о нашем мире на этих первых мизерных долях секунды его существования. Что же касается закона сохранения энергии, то современные космологи считают, что вся положительная энергия Вселенной компенсируется отрицательной потенциальной энергией гравитационного притяжения материи, но проверить это, наверное, тоже никогда не удастся.
Закончить этот рассказ хочется небольшой и приятной для нас неожиданностью. Дело в том, что идея о квантовом рождении Вселенной была рождена… в Украине! Речь идет о работе знаменитого физика-теоретика Петра Фомина, который в 1973 году, работая в Институте теоретической физики им. Н. Боголюбова в Киеве, впервые показал, что объединение принципов Общей теории относительности и КТП приводит к явлению гравитационной неустойчивости вакуума, а это дает принципиальную возможность спонтанного квантового рождения пространственно-замкнутой Вселенной. Еще одним ученым из Украины, который в значительной степени приобщился к этой теории, является Александр Виленкин — всемирно известный физик-космолог, уроженец Харькова и выпускник Харьковского университета, который сейчас работает в США.
Квантовое рождение Вселенной — элегантная, яркая, как вспышка сверхновой звезды, идея, которая, все же, требует дальнейшего изучения, исследования и обдумывания.
Автор: кандидат физико-математических наук, научный сотрудник Астрономической обсерватории Львовского университета Максим Циж.
Эта статья была опубликована в №6 (187) 2021 года журнала Universe Space Tech. Купить этот номер в электронной или бумажной версии можно в нашем магазине.
