загрузка...

Квантовая космология

  • 30.06.2010 / Просмотров: 7073
    //Тэги: квантовая механика   космос   Гордон  

    В связи с понятием волновой функции Вселенной и рождением Вселенной из ничего возникает множество вопросов об интерпретации такой квантовой теории. Тогда вместо одной Вселенной можно говорить о многих Вселенных, проявляющих себя через микромир. О множественности миров во фрактальной структуре мира - физики Андрей Гриб и Михаил Фильченков.

загрузка...







загрузка...

Для хранения и проигрывания видео используется сторонний видеохостинг, в основном rutube.ru. Поэтому администрация сайта не может контролировать скорость его работы и рекламу в видео. Если у вас тормозит онлайн-видео, нажмите паузу, дождитесь, пока серая полоска загрузки содержимого уедет на некоторое расстояние вправо, после чего нажмите "старт". У вас начнётся проигрывание уже скачанного куска видео. Подробнее

Если вам пишется, что видео заблокировано, кликните по ролику - вы попадёте на сайт видеохостинга, где сможете посмотреть этот же ролик. Если вам пишется что ролик удалён, напишите нам в комментариях об этом.


Расшифровка передачи


Андрей Гриб. Сегодня мы будем говорить о кванто-
вой космологии. Собственно, сама эта наука, кванто-
вая космология, она пытается ответить на очень важ-
ный вопрос, который человечество волнует уже с дав-
них пор. А именно, что такое начало Вселенной, если
оно было, и что можно сказать об этом начале. Но сна-
чала я, может быть, расскажу об истории этого вопро-
са современной науки, имея в виду науку 20-го века.
Первым человеком, который стал говорить о том, что у
Вселенной, по-видимому, было начало, был создатель
теории расширяющей Вселенной Александр Алексан-
дрович Фридман. В 1922-м году он, работая тогда в Пе-
трограде, опубликовал работу, в которой описал рас-
ширение пространства. Это расширение пространства
связано с некоторым особым решением уравнения
Эйнштейна. И вот он нашёл это решение. И тогда же
в этой работе в 1922 году он сказал, что если это пра-
вильно, то у Вселенной было начало. И он думает,
что это начало было где-то, примерно, порядка деся-
ти миллиардов лет тому назад. Удивительным обра-
зом, сегодня мы считаем, что возраст Вселенной равен
13,7 миллиардов лет. Но во время Фридмана никаких
данных об этом не было. И, собственно, само по себе
это утверждение было некоей странной и удивитель-
ной догадкой.
Дальше история развивалась таким образом. Отно-
шение к самой идее начала, с самого начала всей этой
науки было разным и очень неоднозначным. Альберт
Эйнштейн написал на работу Фридмана отрицатель-
ный отзыв. В этом отзыве он написал, что он счита-
ет, что этого решения не существует, и что у уравне-
ния Эйнштейна есть только статические решения. По-
сле этого Фридман написал письмо Эйнштейну, где
подробно объяснил свои выкладки но, однако, Эйн-
штейн это письмо не прочитал, и потом в Берлине
друг Фридмана Крутков показал, наконец-то, Эйнштей-
ну это письмо, и они вместе, Крутков и Эйнштейн, разо-
брали выкладки Фридмана и поняли, что всё это пра-
вильно. Будучи честным человеком, Эйнштейн после
этого опубликовал небольшую заметку в том же журна-
ле – «Zeitschrift fur Physik» – это был главный междуна-
родный физический журнал того времени, где он напи-
сал о том, что действительно такое решение, которое
нашёл Фридман, существует. И высказывание о том,
что эта работа ошибочна, было неправильным. Надо
сказать, что работающий сейчас исследователь науки
Стейчвэл написал о том, что первоначально в письме
Эйнштейна было ещё добавлено. Но я думаю, что это
не имеет физического смысла. Это о второй его замет-
ке, где он исправил свою ошибку.
Фридман в 1925 году умер в возрасте 37 лет. В возра-
сте, типичном для русских гениев. И после этого толь-
ко скромная могила с православным крестом на Смо-
ленском кладбище (в Петербурге) долгое время бы-
ла единственным свидетельством о том, что он вооб-
ще существовал. Потому что в Советском Союзе вся
эта теория расширяющейся Вселенной была объявле-
на идеалистической, и практически долгие годы ею ни-
кто не занимался. Но всё происходило в других местах.
В 1927 году аббат Лемэтр, который был, с одной сто-
роны, католическим аббатом, а с другой стороны – фи-
зиком, написал работу, в которой переоткрыл решение
Фридмана уравнения Эйнштейна, описывающего рас-
ширяющееся пространство. Эту работу он опублико-
вал в бельгийском журнале, и потом он очень хотел
показать её Эйнштейну. Но, надо сказать, что встре-
титься с Эйнштейном было очень трудно. Но так как
ему симпатизировала бельгийская королева, а коро-
лева интересовалась наукой, то королева знала Эйн-
штейна. И вот она способствовала тому, что произо-
шла такая встреча между Лемэтром и Эйнштейном,
она произошла в 1927 году в Брюсселе в такси. Эйн-
штейн ехал в такси, об этом рассказал человек, кото-
рый знал секретаря Эйнштейна. И вот в этом такси про-
изошла беседа.
Лемэтр спрашивал у Эйнштейна каково отношение
Эйнштейна к этой работе. Эйнштейн сказал кратко: ма-
тематика – правильно, но физика – какой ужас. Потом
дальше развивалось всё это так. В 1929 году Хаббл
увидел действительно красное смещение далёких га-
лактик, которое следовало из теории расширения Все-
ленной. Эйнштейн, будучи физиком, признал, что та-
кие нестационарные решения действительно имеют
физический смысл. Однако тот же Лемэтр в 1930 го-
ду впервые опубликовал работу, где он стал говорить
о начале Вселенной. В 1927-ом Лемэтр не говорил, а
Фридман в 22-м году уже говорил об этом. Так вот, ко-
гда Лемэтр краткую работу опубликовал в Англии, по-
интересовался мнением Эйнштейна, и Эйнштейн ска-
зал, что «разговор о начале Вселенной связан с Вашей
христианской догмой. Я в это не верю».
Дальше, в это время, именно в тридцатые годы, бы-
ла короткая заметка, но только через три года Лемэтр
опубликовал свою главную работу о первоатоме, где
он изложил идею о том, что рождение Вселенной было
квантовым. Дело всё в том, что Лемэтр очень интере-
совался уже тогда квантовой физикой, и у него была
такая идея, что первоначально было нечто, что он на-
звал первоатомом. Этот первоатом взорвался или рас-
пался на множество мелких частиц, и за счёт этого уже
квантового процесса во Вселенной появилась не нуле-
вая энтропия, которую он связывал, правда, с космиче-
скими лучами, тогда ещё не было открыто реликтовое
излучение. И вот, так сказать, появилась стрела вре-
мени. То есть, направление от прошлого к будущему.
Эта идея Лемэтра была высказана им и опубликована,
собственно говоря, только в 33-ем году. Далее события
развивались так.
Первоначально отношение к теории расширяющей-
ся Вселенной, а значит и к проблеме начала време-
ни, было, вообще говоря, не положительным ещё и по-
тому, что Хаббл неправильно определил постоянную
Хаббла тогда. Наблюдения были не очень точны, и рас-
стояния до далёких галактик определялись неправиль-
но. Он её определил, как 500 километров в секунду на
мегапарсек, и тогда оказалось, что возраст Вселенной
меньше возраста Земли. Любой нормальный человек
спрашивал: о какой же теории Вы говорите. И эта си-
туация продолжалась практически до 60-х годов, ко-
гда научились гораздо точнее мерить расстояние. Вы-
яснилось, что постоянная Хаббла совсем не 500 кило-
метров в секунду на мегапарсек, а меньшая величина.
Порядка 65, как сейчас считают.
Но окончательным решением проблемы можно счи-
тать 1965 год, когда Пенроузом и Хокингом в Англии
была доказана теорема, что если Вселенная расширя-
ется и если в этой Вселенной материи удовлетворяют
обычным условиям, так называемым уравнениям со-
стояния, то у Вселенной обязательно в прошлом бы-
ло начало. Эта теорема называется теоремой о сингу-
лярности. И вот этот момент, можно сказать, – это мо-
мент, когда было установлено, что действительно Все-
ленная – совсем не то, что о ней думали. Что идея веч-
ной во времени Вселенной, которую мы сейчас видим,
эта идея, по всей видимости, должна быть оставлена.
Надо заметить, что у нас в стране ещё в 80-х годах все
студенты в университетах, институтах изучали диалек-
тический материализм, в котором чёрным по белому
было написано, что Вселенная вечна и бесконечна. И
никаких разговоров о том, что когда-то было начало, не
велось. Но это история вопроса, может быть, Михаил
Леонидович сейчас добавит исторических фактов.
Михаил Фильченков.. Я хотел начать с того, что ещё
до Фридмана, в 17-м году, после того как Эйнштейн со-
здал общую теорию относительности, он предложил
модель стационарной Вселенной. И, собственно, по-
этому он и возражал Фридману. Но буквально в это же
время де Ситтер – это голландский астроном – пред-
ложил тоже нестационарную модель, но без сингуляр-
ности. Под сингулярностью подразумевается некое та-
кое состояние с бесконечной плотностью, где и кривиз-
на обращается в бесконечность. Это решение описы-
вало как бы пустой мир, но с постоянной кривизной.
И вот этот пустой мир, с постоянной кривизной, полу-
чил название Вселенной с космологической постоян-
ной. Как космологическая постоянная она выражает-
ся через эту постоянную кривизну. Расширение – то,
о котором говорил Андрей Анатольевич, но не упомя-
нул – какой закон расширения, получил Хаббл, в смы-
сле, Хаббл зарегистрировал только факт расширения.
А вот что получил конкретно Фридман: все масшта-
бы растут с течением времени по степенному закону.
То есть, Хаббл наблюдал зависимость скорости удале-
ния галактик от расстояния. Она оказалась линейной.
А вот сами масштабы в зависимости от времени ра-
стут по степенному закону. Если у вас, допустим, есть
какое-то излучение, скажем, электромагнитное, то за-
кон – корень квадратный из времени. А если другая ка-
кая-то материя, то другой закон. Но закон степенной.
То есть, расширение достаточно медленное. А в моде-
ли де Ситтера, т.е. с космологическим членом, расши-
рение по экспоненте, т.е. гораздо более быстрое. По-
скольку это была модель пустой Вселенной, то есть
галактики там были как некие пробные частицы, ко-
торые просто движутся, но не определяют динамику
этого расширения (динамику определял так называе-
мый космологический член в уравнениях Эйнштейна),
то после того как было получено решение Фридмана,
которое описывало динамику, определяемую матери-
ей, наполняющей Вселенную (галактики, излучения и
так далее), то, конечно, от модели де Ситтера быстро
отказались, потому что она ничего реального не опи-
сывала. Это продолжалось некоторое время.
А вот приблизительно начиная с 60-х годов, стали
обращать внимание на эту модель. И она попала в
учебники, скажем, есть знаменитые книги по гравита-
ции, допустим, Томан. Там уже это решение упомяну-
то. Но, в общем, вторую жизнь этому решению дал ле-
нинградский учёный Эраст Борисович Глинер. Он в 65-
м году предложил такую модель, в которой Вселенная
расширяется сначала быстро, то есть по экспоненте.
То есть, как бы пустая Вселенная, потом переходит на
стадию расширения вещества. Вот то, что описывал в
своей модели Фридман. Но, правда, причина этого пе-
рехода была не ясна. И поэтому работы Глинера сна-
чала, в общем, не очень были встречены положитель-
но научной общественностью. Он ещё в 70-м году опу-
бликовал работу. Где-то в конце 70-х годов – в начале
80-х, были ещё работы Старобинского, Мостепаненко,
потом дальше Гута. Через некоторое время выясни-
лось, что это, по-видимому, какое-то скалярное поле,
которое и описывается этим космологическим членом.
В результате определённых процессов, которые про-
исходят во Вселенной, когда скалярное поле сильно
осциллирует, начинает рождаться материя – эти самые
частицы, излучение, которые потом определяют дина-
мику Вселенной в модели Фридмана. И заслуга Глине-
ра заключалась в том, что он предложил этот сцена-
рий. Потому что, собственно, он использовал решение
де Ситтера. Ну и, кроме того, он считал, что и конеч-
ная стадия гравитационного коллапса приводит к это-
му решению де Ситтера, то есть внутри чёрной дыры
не сингулярность, а этот вакуум, описываемый космо-
логическим членом. Кроме того, когда было предложе-
но решение де Ситтера, то сразу из него следовало,
что теоремы о неизбежности сингулярности не рабо-
тают в силу того, что так называемое сильное энерге-
тическое условие (то есть, что давление должно быть
больше, чем некая величина отрицательная), для кос-
мологического члена не выполняется. И поэтому те-
оремы Хокинга-Пенроуза о неизбежности сингулярно-
сти в таком сценарии не работают.
Андрей Гриб. Хорошо, я теперь скажу о том, какой же картина
в космологии сегодня представляется нам после этих
открытий. Дело в том, что иногда открытие Фридма-
на сравнивают с открытием Коперника. Я бы сказал,
что оно неким образом является антикоперниковским.
Во-первых, потому что Коперник, в действительности,
просто возродил точку зрения Аристарха Самосского в
Греции, который уже говорил о том, что Земля враща-
ется вокруг Солнца. Кроме того, мы знаем, что кроме
Коперника был Джордано Бруно, после которого воз-
никла некоторая определённая модель Вселенной, ко-
торая весьма популярна была в 19-м веке и в начале
20-го. Что это за точка зрения? Эту точку зрения Лем-
этр, один из создателей космологии, назвал кошмаром
бесконечности.
Суть этого кошмара состоит в следующем. Если че-
ловек 19-го века смотрел на звёздное небо, то он смо-
трел на некую непонятную для него бесконечность.
Это пространственная бесконечность. Если человек
задавал себе вопрос – кто я, откуда я, то он не мог на
это ответить, потому что если сзади бесконечное вре-
мя, этот вопрос бессмысленный. Вы ничего не можете
объяснить, если время существования Вселенной бес-
конечное, если сзади вас бесконечное прошлое. И вот
именно это назвал Лемэтр кошмаром бесконечности.
Человек, который начинает понимать, что он конечное
существо, окружён, с одной стороны, бесконечностью
пространственной и бесконечностью временной, чув-
ствует полную беспомощность, что бы то ни было объ-
яснить. Вселенная нам представляется чем-то похо-
жим на бесконечный супермаркет, в котором разложе-
но множество каких-то вещей. Одна из этих вещей –
земной шар с человечеством на нём. А есть какие-то
другие вещи, но всё это бесконечно и всё в этом смы-
сле является нерациональным и, как Лемэтр говорил,
просто кошмарным.
Какой же образ возникает, если мы на самом деле
считаем, что у Вселенной было начало и, кроме этого,
что наблюдаемая Вселенная занимает конечный объ-
ём, как это утверждает космология. Конечно, за наблю-
даемой Вселенной может быть какой-то процесс, но
всё равно мы его наблюдать не можем. Вот эта Все-
ленная выступает сегодня как удивительным образом
организованное целое. Можно задать такой вопрос: о
чём могли бы рассказать атомы нашего тела? Допу-
стим, я смотрю на свой палец. И если бы эти атомы
могли говорить, что бы они мне рассказали о моей ро-
ждении? Во-первых, надо начать с того, что каждый из
нас имеет в действительности возраст ни двадцать, ни
тридцать, ни шестьдесят даже лет, ни семьдесят лет, а
13,7 миллиардов лет. Потому что если мы спросим, а
как родился я, если под этим «я» понимать эту струк-
туру из элементарных частиц атомов и атомных ядер,
то нам расскажут следующую историю.
Сначала некоторым образом возникло простран-
ство и время. Что это такое, об этом будет рассуждать
квантовая космология. Однако это пространство было
пустым. Впрочем, оно не совсем было пустым, а имен-
но: если мы считаем, что была эра инфляции или де
Ситтера, о которой сейчас только говорил Михаил Лео-
нидович, это было пространство, наполненное особой
пустой материей. И что любопытно, мы имеем некий
комментарий книги Бытия в Библии. Если вы помни-
те, там было сказано: в начале сотворил Господь не-
бо и землю, земля же была безвидна и пуста. Так вот
эта пустая материя безвидна, потому что света ещё
нет. Она пустая, потому что это вакуумное вещество.
Это удивительно точное популярное выражение того, о
чём мы сейчас говорим. Итак, ранняя Вселенная – это
Вселенная пустая в смысле обычной материи и в ней
нет света. Затем возникает свет. Это тоже удивитель-
ный комментарий, потому что мы знаем, что после Зе-
мли безвидной, пустой было сказано «и да будет свет».
До создания звёзд. То, на чём споткнулся Смердяков в
«Братьях Карамазовых», если мы вспомним. Когда он
читал Библию, он прочитал, что сначала был создан
свет, а потом звёзды. Он сказал, как это может быть?
Как может быть свет без звёзд? После чего сказал, что
не в правду всё написано. Вот современные Смердя-
ковы должны быть очень осторожны с книгой Бытия.
Потому что мы вдруг обнаруживаем, что на самом
деле сначала был свет, а звёзды возникли потом. Итак,
ранняя Вселенная, что она собой представляла? Это
был свет, и в ранней Вселенной возникли первые эле-
ментарные частицы. Этим занимались мы – я и моя
группа, начиная с середины 60-х годов. Тогда мы за-
нимались вопросом о рождении частиц в ранней Все-
ленной. Гравитационное поле ранней Вселенной было
очень сильно. А физике известно, что сильное поле мо-
жет рождать в основном пары – частицы и античасти-
цы. И наши вычисления показали, что эти пары, если
брать тяжёлые частицы с особой массой, так называе-
мое действительное объединение, действительно мо-
гут дать то самое число частиц, которое мы сегодня ви-
дим и наблюдаем в космологии. Это число называется
числом Эддингтона-Дирака. То есть в ранней Вселен-
ной не было этих частиц. Поэтому не было вблизи того,
что называют началом Вселенной, не было бесконеч-
ной плотности вещества, потому что его просто не бы-
ло. Оно возникло потом, это вещество. Оно возникло в
виде элементарных частиц.
Что было далее. Далее были первые три минуты
Вселенной, как объясняет Стивен Вайнберг в своей
книге «Первые три минуты». Именно в это время про-
изошли, возникли первые атомные ядра. Это были, ко-
нечно, лёгкие атомные ядра. Это был дейтерий, это
был тритий, это был литий. Потом, дальше был боль-
шой период – 300 тысяч световых лет – и после этого
началось возникновение первых атомов, а далее воз-
никли звёзды, звёзды и галактики. И, наконец, внутри
особых звёзд, сверхновых, возникли тяжёлые элемен-
ты, в частности углерод, из которого составлено наше
тело.
Мы когда-то в прошлом были внутри звёзд. И поэто-
му, когда мы смотрим на ночное небо, мы можем заду-
маться. К сожалению, мы не видим сверхновых, кото-
рые вспыхивают, в основном, в других галактиках. Но
если мы придём в хорошую обсерваторию, например,
лаборатория САО на Кавказе, то нам их покажут, там
почти каждый день регистрируют вспышки сверхновых
в других галактиках. Так вот, мы были внутри сверхно-
вых, мы оттуда были выброшены. Мы дети этих звёзд.
И поэтому, глядя на это небо, мы не должны думать,
что оно чужое. Мы там на самом деле когда-то были.
Конечно, не мы, как здесь сидящие, но наши атомы,
эти ядра, они там были, они оттуда, и они это помнят.
И потом, наконец, когда это было выброшено в про-
странство, на планете Земля началась биологическая
эволюция, и возникло самое сложное образование во
Вселенной, которое сегодня известно, это человече-
ский мозг. Поэтому Вселенная представляет сегодня
удивительным образом рационально организованную
целостность, когда от самого простого мы идём к наи-
более сложному. И эту историю нам сегодня рассказы-
вают.
Но теперь возникает главный вопрос: ну, а что та-
кое, всё-таки, самое начало? Что значит начало Все-
ленной, начало времени? Что об этом можно сказать?
Первым этот вопрос, как мы знаем, задал блаженный
Августин в пятом веке новой эры. Он в «Исповеди» об-
суждает проблему того, что такое начало Вселенной.
При этом он отвечает на такой вопрос, его спрашива-
ли: а что делал Бог до сотворения Вселенной? На что
блаженный Августин сказал: он создавал ад для тех,
кто задаёт глупые вопросы.
Нужно сказать, именно это повторил Хокинг, кстати,
не ссылаясь почему-то на блаженного Августина, хо-
тя я это говорил Хокингу и Полу Дэвису в своё время,
когда они сюда приезжали. Кстати, Пол Дэвис потом
стал об этом говорить. Хокинг в своей книжке «Крат-
кая история времени» говорит так, что, когда мы спра-
шиваем, а что было до начало Вселенной, то это тоже
самое, что спрашивать, а что южнее Южного полюса?
Просто понятие «до» теряет свой смысл до этой точки
начала Вселенной. Есть только «после». Так же, как на
Южном полюсе, если вы спросите, «а что южнее?» вам
скажут: простите, но это вопрос глупый. Всё севернее.
Блаженный Августин тоже так же на это отвечал. Если
вдуматься в то, что он сказал.
Итак, начало Вселенной, как начало времени. Что
это такое? Что мы можем об этом сказать? Если гово-
рить о классической общей теории относительности,
то мы тут обсуждали теорию Хокинга, а также идею
Глинера и Гута, и дальше Линде о так называемой ин-
фляционной космологии, где говорится о том, что Все-
ленная до стадии Фридмана расширялась более уско-
ренно – по закону экспоненты. Но всё равно, и там
возникает на самом деле этот вопрос. Вселенная рас-
ширялась. Но она расширялась от очень маленько-
го объёма, который соответствует планковским разме-
рам. Для того чтобы говорить о том, что происходило
на этих размерах, и знать, что такое точка начала, не-
обходимо привлекать квантовую физику. Причём кван-
товую физику не только для того, что находится внутри
Вселенной, но и для описания её геометрии. Это кван-
товая гравитация.
Всё, чем занимались мы, допустим, начиная с 69-го
года, относилось на самом деле к квантовым процес-
сам внутри Вселенной. Пространство-время, которое
классическое, описывается классически в теории от-
носительности. Здесь же этого недостаточно, если мы
хотим пытаться ответить на вопрос: а что же такое са-
мо возникновение времени? А что мы вообще тут мо-
жем говорить, что значит возникновение времени, что
за слово «возникновение», если мы говорим о чём-то,
что есть возникновение времени, в котором всякое воз-
никновение существует? Как ставить здесь вопрос? Об
этом нужно рассуждать не только физикам и матема-
тикам, человек, задающий этот вопрос, должен быть
ещё и философом, чтобы понять, что же всё-таки он
спрашивает.
И вот квантовая космология, которая возникла где-
то в середине 80-х годов, пытается ответить на этот
вопрос, а именно, пытается описать раннюю Вселен-
ную в рамках квантовой физики. И произошло введе-
ние понятия так называемой «волновой функции Все-
ленной». Михаил Леонидович довольно много занима-
ется этой темой. Я думаю, он прокомментирует лучше
эту ситуацию.
Михаил Фильченков. Но здесь я хочу вернуться назад. У Вас была
передача «Квантовая гравитация», и я хочу немножко
добавить, что же такое квантовая гравитация, а потом
объяснить, что такое квантовая космология. Проблема
квантования в гравитации, в общем-то, довольно слож-
на, и нельзя сказать, что существует какая-то теория.
Существуют просто различные подходы. То есть если
рассматривать, скажем, какие-то слабые гравитацион-
ные поля на фоне почти плоского пространства Мин-
ковского, то тогда удобно провести такое квантование,
которое обычно проводится в электродинамике. Есть
такая наука – квантовая электродинамика.
Квантование электромагнитного поля даёт фотоны.
И соответственно такая же процедура, проделанная
над слабым гравитационным полем, даёт кванты гра-
витационного поля, которые называются гравитонами.
В отличие от фотонов, они имеют спин 2. Сейчас про-
сто невозможно в этой передаче это объяснить – это
потребует много времени и может даже быть непо-
нятно. Нужно только сказать следующее: эти гравито-
ны могут быть описаны в виде некоего тензорного по-
ля. Общая теория относительности вообще построе-
на на тензорах, то есть уравнения Эйнштейна – тен-
зорные уравнения. И для этого тензорного поля, если
развивать такой формализм, как в квантовой электро-
динамике, оказывается, что возникают неустранимые
расходимости. Как физики говорят, это теория непе-
ренормируема, и, в общем, до конца её построить не
удаётся. Хотя, в принципе, какие-то простые задачи
решать можно. Скажем, у вас есть атом водорода, и
есть какие-то переходы, и излучается, скажем, элек-
тромагнитное излучение, дипольное. Есть также ква-
друпольные переходы. И излучается электромагнит-
ное излучение квадрупольное, и излучается гравита-
ционное излучение. Вы можете вычислить с помощью
этого формализма, какое будет гравитационное излу-
чение – как некий поток гравитонов. Такие простые за-
дачки можно решить. Но до конца теория эта не стро-
ится.
И когда пытались её как-то улучшить, то оказалось,
что есть следующие пути. Что нужно, во-первых, рас-
сматривать уже пространство более высокого числа
измерений, то есть, скажем, 11-мерное пространство,
и там строится такая наука, которая называется супер-
гравитацией. И эта наука, она и дальше развивалась,
и сейчас есть такой совершенно новый подход – это
теория суперструн. В низкоэнергетическом приближе-
нии в рамках этих теорий удаётся устранить эти рас-
ходимости, правда, может быть, не полностью, но, во
всяком случае, эта задача, в общем, как-то решается.
Но эти теории выходят за рамки нашей передачи. Я о
них говорить не буду. А я хочу сказать ещё об одном
подходе, который оказался довольно плодотворным.
Это когда вы рассматриваете гравитацию не как не-
кое физическое поле, скажем, электромагнитное поле
или какое-нибудь поле сильных взаимодействий, или
слабых, а когда вы рассматриваете её с точки зрения
общей теории относительности. То есть гравитацию
рассматриваете как некую геометрию. И будет кванто-
вание не поля, а квантование геометрии в целом. И
тогда окажется, что это квантование проще. По край-
ней мере, идейно проще, чем квантование полей. То
есть оно напоминает то квантование, которое мы име-
ем в нерелятивистской квантовой механике. И это на-
правление, в котором такой подход реализуется, полу-
чило название квантовой геометродинамики. Она бы-
ла разработана в 60-х годах, в основном, Уилером и
ДеВиттом. Основное уравнение в этом подходе – это
так называемое уравнение Уилера-ДеВитта. И оказа-
лось, что это уравнение Уилера-ДеВитта очень похоже
на уравнение Шрёдингера – то уравнение, которое из-
вестно из квантовой механики. Только с одним исклю-
чением, что в этом уравнении энергия равна нулю. По-
тому что в этой теории не используется время.
То есть вся теория строится только в трехмерном
пространстве. Вы берёте четырехмерный мир и дела-
ете в каждый момент времени какие-то фотографии.
И потом эти фотографии как-то комбинируете, а вре-
мя не учитываете. Из этих фотографий, которые как
бы отражают только геометрию мира, вы пытаетесь со-
здать, как-то извлечь некую динамику. И эта динами-
ка извлекается. То есть вы получаете уравнение типа
уравнения Шрёдингера, решаете его и возвращаетесь
по сути дела, как бы в лоно обычной квантовой меха-
ники. И там можно, в общем-то, очень много решить
проблем, в частности, например, проблему рождения
Вселенной. Но есть ещё важный момент – это то, что в
73-м году Фомин и Трайен предложили идею рождения
Вселенной в результате некоей квантовой флуктуации.
И оказывается, что это можно описать с помощью это-
го уравнения – типа уравнения Шрёдингера.
Это было сделано сначала Виленкиным, а потом
уже многими другими. В частности, волновая функция
Вселенной, о которой упоминал Андрей Анатольевич,
была предложена Хартлом и Хокингом. И в рамках та-
кой модели решается задача о рождении Вселенной,
как некотором процессе, аналогичном альфа-распаду.
То есть у вас есть частица, она при распаде испускает-
ся в результате некоего туннелирования – классически
запрещённого процесса, когда частица проходит под
барьером. То есть это означает, что её энергия мень-
ше высоты барьера. Тем не менее, за счёт квантовых
эффектов она оказывается по другую сторону барье-
ра. Так вот Вселенная рождается точно так же, как это
было установлено в данном подходе.
И вероятность рождения Вселенной очень малень-
кая. По крайней мере, она, видимо, не больше, чем е
в степени минус 10 в девятой степени (е – около 2,72).
Что можно ещё сказать? Ещё можно упомянуть следу-
ющую вещь, что весь этот аппарат, когда он применён к
квантовой космологии, просто следует уравнению типа
Шрёдингера. Я привёл пример, как рождается Вселен-
ная. Есть интересный ещё такой момент, что на при-
мере модели Фридмана, математический аппарат сво-
дится к следующему. У нас есть уравнения Эйнштей-
на. Пространство у нас однородное и изотропное, и вы
сводите эти уравнения Эйнштейна, их, в общем-то, до-
вольно много (десять), только к двум уравнениям. Од-
но из этих уравнений, выражает просто закон сохране-
ния энергии: кинетическая энергия плюс потенциаль-
ная равняется полной энергии.
И вот что получается из этого уравнения, переходя
к обычной процедуре квантования, как мы это обычно
делаем. Здесь было много передач по квантовой ме-
ханике: специфика квантования сводится к тому, что
вы заменяете некие физические величины на опера-
торы, то есть у вас есть, допустим, импульс, и вы за-
меняете его на оператор. Но что это означает? Это
очень простая вещь. У вас есть корпускулярно-волно-
вой дуализм, т.е. если у вас есть формула для энергии
и есть формула для волны, и если вы отождествляете
эти формулы, то оказывается, что импульсу соответ-
ствует некая операция дифференцирования по коор-
динате, умноженная на мнимую единицу.
И если проделать с уравнением Фридмана, которое
выражает закон сохранения энергии, такую операцию,
то есть заменить импульс в этом уравнении на опера-
тор импульса, то вы получаете уравнение типа урав-
нения Шрёдингера. То есть оказывается следующая
вещь, что вы исходите из уравнений Эйнштейна, а по-
лучаете уравнение квантовой механики. То есть это со-
вершенно удивительная вещь. В этом, собственно, в
квантовой космологии и заключается синтез общей те-
ории относительности и квантовой механики, то есть
вы «перевариваете» общую теорию относительности,
превращая её в квантовую механику. Причём, интерес-
но следующее: можно пойти и дальше. Лемэтр, которо-
го некоторые называют отцом квантовой космологии,
предложил первоатом, а после этого у Уилера, ДеВит-
та и Хокинга были такие высказаны идеи, что решение
этого уравнения, типа уравнения Шрёдингера, может
дать что-то типа атома водорода. Потому что у урав-
нения Шрёдингера одно из точных решений – это атом
водорода. Так вот оказалось, что из этого уравнения
Уилера-ДеВитта, применённого к квантовой космоло-
гии, можно получить решение, которое совпадает с ре-
шением для атома водорода, то есть то, что предлагал
ДеВитт, уже реализовано математически.
Что ещё можно сказать? Да, здесь ещё есть вот не-
кая проблема, о которой сейчас Андрей Анатольевич
скажет. Я только сделаю анонс, что в такой постанов-
ке задачи, когда у вас энергия равна нулю, из уравне-
ния Шрёдингера следует, что у нас нет времени, пото-
му что, как я сказал, мы рассматриваем только трех-
мерные конструкции, и из них выводим какую-то дина-
мику. А то, что у нас нет времени, это очень плохо, по-
тому что это означает то, что, раз нет времени, зна-
чит, нет наблюдателя. А основная интерпретация кван-
товой механики, в общем-то, требует наличия наблю-
дателя. По крайней мере, в такой трактовке, которая
дана, можно сказать, в «библии квантовой механики»
– книге фон Неймана «Математические основы кван-
товой механики». Без этого построение теории невоз-
можно, хотя не все разделяют эту точку зрения, но, по-
видимому, всё равно есть трудности. Как выйти из это-
го положения?
Предлагаются другие интерпретации. Скажем, в
этой передаче обсуждалась так называемая многоми-
ровая интерпретация. Это, значит, что вы каждому из-
меренному значению какой-то величины ставите в со-
ответствие какой-то определённый мир. То есть ты из-
мерил одно значение, это было в одном мире. Измерил
другое – в другом. Это следствие того, что в кванто-
вой механике называется редукцией волнового пакета.
Это то, что у вас есть, с одной стороны, волновая функ-
ция – это и есть некая суперпозиция разных состояний,
но при измерении вы не измеряете всё в суперпози-
ции, измеряете только одно состояние. То есть те ве-
личины, которые вы измеряете, являются собственны-
ми значениями, которые соответствуют этим собствен-
ным функциям. Только одна собственная функция и
одно собственное значение. А куда остальные исчеза-
ют – неизвестно. И это называется процедурой редук-
ции волнового пакета.
И для того, чтобы этого не было, вы, благодаря мно-
гомировой интерпретации, предлагаете, что каждое
измерение происходит в каком-то другом мире. Это так
называемый мультиверс, об этом Андрей Анатольевич
скажет. Я ещё только хотел добавить, что, на самом
деле, не всё так плохо. Когда вы рассматриваете кван-
товую космологию, например, рождение Вселенной, то
оказывается, что после того как происходит туннели-
рование, которое соответствует рождению Вселенной
(с очень малой вероятностью), волновая функция ока-
зывается такой, что из неё можно вывести, какая бу-
дет зависимость масштаба расширения от времени, то
есть возникает время. Оно запрограммировано в са-
мой квантовой механике. То есть до того, как Вселен-
ная родилась, не было времени. Но если вы знаете
эту волновую функцию и берёте её на предельно боль-
ших, масштабных факторах, то из этой зависимости,
точнее, из её фазы, вы можете найти однозначно, как
будет вести себя этот масштабный фактор в зависи-
мости от времени. То есть у вас возникает время. Воз-
никает, правда, некая трудность с наблюдателем. Об
этом Андрей Анатольевич, конечно, подробно расска-
жет.
Александр Гордон: Прежде можно ещё один вопрос
я задам. Вы говорите о маленькой вероятности флук-
туации, в результате которой возникает Вселенная. А
какое время при этом имеется в виду? Вероятность –
за какое время?
Михаил Фильченков. А всё дело в том, что туннельный эффект про-
исходит за нулевое время, потому что он происходит
под барьером и…
Александр Гордон. То есть вероятность события за нулевое
время.
Михаил Фильченков. Да. За нулевое, при туннельном эффекте ни-
какого времени нет, оно возникает после.
Александр Гордон. Да, спасибо, я получил информацию. Не
понял, но получил информацию.
Андрей Гриб. За короткое время, которое осталось, я хочу о
двух вещах сказать. Во-первых, можно ли получить ка-
кие-то наблюдательные следствия из квантовой космо-
логии? Можно ли что-либо из этого увидеть? Грубо го-
воря, это такой вопрос: а можно ли увидеть само нача-
ло Вселенной? Кое-что на эту тему можно сказать.
Во-первых, из-за того, что скорость света конечна,
мы понимаем, что когда мы видим далёкие галактики,
мы видим их в прошлом, потому что свет идёт отту-
да миллионы световых лет, значит, мы видим их таки-
ми, какими они были миллионы лет тому назад. Чем
дальше в космос мы смотрим, тем дальше в прошлое
мы смотрим. Но так как время существования Вселен-
ной – это 13,7 миллиарда лет, то когда мы будем смо-
треть уже туда, на время, на расстояние этого типа, то
есть 13, 7 миллиарда лет, то уже будем приближаться
к самому началу. Вот что сегодня имеется. Сегодня мы
уже видим области с помощью реликтового излучения,
где не было звёзд и не было галактик. Мы уже видим
ту область, где реликтовое излучение, которое сегодня
для нас невидимо, оно только в радиодиапазоне, было
в видимом диапазоне. Вселенная в это время не была
похожа на ту, которая сейчас.
Уже небо было не чёрным, оно было блистающим,
как Солнце. Вся Вселенная была одним большим
Солнцем. Но на самом деле не совсем Солнцем, пото-
му что световое давление, как говорится, в этой ран-
ней Вселенной было очень большим, намного больше,
чем от Солнца. Спрашивается, а можно ли пробиться
через толщу этого огненного шара, как его называют, и
посмотреть на самое начало? Ответ таков, что, вооб-
ще говоря, можно. Но это связано с гравитационными
волнами. Гравитационные волны проходят через всё.
Если мы научимся принимать гравитационные волны,
мы сможем взглянуть в самое начало, когда возникало
все то, что сейчас мы видим.
И вот тут есть проблема, о которой сказал Миха-
ил Леонидович. Если таки-есть волновая функция Все-
ленной, то есть ли из этого какие-то общие следствия?
Конечно, экспериментально наблюдаемых следствий
оттуда пока особенно не видно, но очень важный мо-
мент – это то, как эта теория объясняет появление вре-
мени. Эта теория с волновой функцией Вселенной при-
водит к очень необычному взгляду, взгляду, который
соответственно мы называем блок Вселенной. Блок
Вселенной – это значит, что события в пространстве
и времени некоторым образом существуют, существу-
ют, как таковые, события. И опять же можно вспомнить
блаженного Августина и его «Исповедь». Он говорил:
я думаю, что есть три настоящих – настоящее про-
шлых предметов, настоящее настоящих предметов и
настоящее будущих предметов. Именно это утвержда-
ет блок Вселенной, теория блока Вселенной. Она го-
ворит о том, что если есть волновая функция Вселен-
ной, то на самом деле, некоторым образом, времени в
смысле Ньютона нет. Он считал, что время существу-
ет как абсолютное время, даже когда нет никаких со-
бытий. Здесь же утверждение обратное: есть событие,
а время – это что-то, что упорядочит эти события. Но
тогда это означает, что будущее существует так же, как
настоящее. И так же, как прошлое.
Эта точка зрения, вообще говоря, конечно, противо-
речит нашей идее становления. О том, что всё-таки
что-то становится в будущем, и что будущее – это мно-
жество возможностей. И квантовая механика вообще
говорит о том, что, да, это так, по всей видимости. И
тут…
Александр Гордон. Блок Вселенной и детерминизм тогда про-
сто неизбежен?
Андрей Гриб. Не обязательно детерминизм. Потому что в бло-
ке Вселенной возможна такая вещь, что события су-
ществуют, но между ними не всегда есть такая связь,
что вы можете из одного события предсказать буду-
щее. В этом смысле это не означает детерминизма.
Но квантовая механика утверждает большее. Она да-
же утверждает, что свойства квантовых объектов вооб-
ще не описывается как событие в обычном простран-
стве. Это связано с проблемой, которую немножко за-
тронул Михаил Леонидович, который сказал, что про-
блема, возникающая в квантовой космологии, это про-
блема наблюдателя.
Обязательно должен был наблюдатель, чтобы бы-
ло хоть что-то определённое, потому что вне наблю-
дателя определённого ничего нет. И в этом смысле,
конечно, проблема наблюдателя в квантовой космоло-
гии сегодня не только не решена, но ещё по-настоя-
щему не поставлена. Хотя ясно, конечно, что если мы
будем применять обычную копенгагенскую интерпре-
тацию, то для того, чтобы даже Вселенная родилась,
обязательно нужно, чтобы кто-то тогда уже её наблю-
дал. То есть мы опять приходим к ещё одному коммен-
тарию книги Бытия, где сказано: вначале Земля была
безвидна и пуста, и дух Божий носился над водою. Во-
дой обычно называют, согласно библейской термино-
логии, материю. То есть должен быть какой-то наблю-
датель, какое-то сознание. Если нет, то вы не имеете
превращение квантового мира в классический.
И, наконец, интерпретация, где предлагается по-
строить много параллельных вселенных, а наблюдате-
лей нет. К сожалению, там очень много трудностей. По-
чему? Я, например, лично эту интерпретацию не раз-
деляю. Потому что здесь трудности чисто математиче-
ские. Там есть две нерешённых проблемы. Одна на-
зывается, так сказать, сугубо на нашем языке – про-
блема предпочтительного базиса, которая там не ре-
шена, а вторая – это то, что в квантовой физике нельзя
ввести для квантовых свойств так называемую логиче-
скую функцию истинности. То есть эти объекты кванто-
вые существуют как потенциальные возможности, как
говорил мой учитель Фок, а не как наше видение Все-
ленной. Поэтому параллельная Вселенная – это не то
же самое, что наша.
Александр Гордон. Пять минут нам добавили, продолжайте,
пожалуйста.
Андрей Гриб. Параллельные Вселенные, о которых сейчас
говорят и в масс-медиа, нельзя представлять себе
так же, как нашу Вселенную. Они отличаются от на-
шей, если следовать квантовой механике. Потому что
они не в том же смысле «есть», как наша Вселенная
«есть». Слово «есть» к ним нельзя употреблять. И в
этом отношении проблема наблюдателя в квантовой
космологии является достаточно открытой.
Александр Гордон. Поправьте меня, если я ошибаюсь, но там,
по-моему, ещё была теория фрактального…
Андрей Гриб. Об этом можно сказать. Фрактальная теория
обычно связана с теорией многих миров, но не обяза-
тельно…
Михаил Фильченков. Дайте, я скажу. Осталось мало времени, но я
всё-таки хотел бы немного затронуть этот вопрос. Где-
то в районе 86-го года Линде предложил модель, в ко-
торой инфляция (когда у вас какие-то вселенные раз-
дуваются) на самом деле происходит не только в на-
шем мире. Мир – это мегагалактика, т.е. наблюдаемая
часть Вселенной. А большой мир состоит из многих
вселенных. И наша – только одна из них.
Александр Гордон. Частный случай.
Михаил Фильченков. Частный случай, да. И при этом очень много
строили таких моделей, что эти пузыри раздуваются,
они как-то пересекаются или не пересекаются. Из од-
ного пузыря можно попасть в другой. В частности, бы-
ла такая гипотеза, как гипотеза Ли Смолина: скажем,
есть какие-то чёрные дыры, возникающие в резуль-
тате гравитационного коллапса. Поскольку внутри них
образуется опять тот же самый вакуум, он опять рас-
ширяется в какую-то уже другую вселенную, и в этой
вселенной образуются опять чёрные дыры, они опять
коллапсируют, и этот бесконечный процесс предста-
вляет собой некую фрактальную структуру. Это, конеч-
но, некая полуфантастика, но вот интересно…
Александр Гордон. Это решает вопрос с наблюдателем.
Михаил Фильченков. Но это нас возвращает к кошмару бесконечно-
сти. То есть опять бесконечный мир. Мы от этого ушли,
но у нас может быть постановка задачи и другая. А су-
ществуют ли какие-то способы попасть из одного ми-
ра в другой? И в 87-м году Гут и Фархи (Гут – это тот,
кто предложил по сути дела инфляционную модель)
предложили такую, в общем-то, сумасшедшую идею о
создании вселенной в лаборатории. То есть, требует-
ся всего-навсего только 10 килограмм вещества, кото-
рое нужно сжать достаточно сильно, чтобы образовал-
ся этот самый вакуум…
Александр Гордон. До каких размеров надо сжать?
Михаил Фильченков. Сжать нужно до очень маленьких размеров –
десять в минус 24-й сантиметра. При этом оказывает-
ся, что та энергия, которую нужно при этом затратить,
она никакая не космическая, она сейчас имеется на
Земле. То есть энергии вполне достаточно. Другое де-
ло, как сжать. Но энергии даже в современной техно-
логии достаточно, чтобы сжать. Другое дело, что мы не
знаем, как сжать. Но энергия уже такая есть. То есть,
если какая-то сверхцивилизация найдёт такой способ,
то она может, в принципе, создать новую вселенную.
Тогда оказывается, что рождается новая Вселенная,
причём это всё происходит под гравитационным ради-
усом, поэтому наш наблюдатель как располагал 10 ки-
лограммами вещества, так он и будет их видеть. А рас-
ширение произойдёт в новую вселенную – возникнет
новая вселенная. Причём эти десять килограмм соот-
ветствуют почти копии нашей Вселенной, то есть с та-
кими же галактиками, и прочее. То есть, в таком вот
небольшом объёме. Правда, неизвестно, может, в на-
шей лаборатории что-то измениться с нашим вакуум-
ом. Были такие гипотезы, что это может как-то плохо
отразиться на нашем мире.
Александр Гордон. А кроме того, как мы узнаем, что эта все-
ленная родилась?…
Михаил Фильченков. Как мы узнаем? Мы никак не узнаем. Но здесь
есть другой вопрос, секундочку. Ещё есть другой под-
ход – это как послать какое-то сообщение в другую все-
ленную?…
Александр Гордон. Простите, я забуду вопрос. А мы в этом
случае можем являться наблюдателем по отношению
к той вселенной, которая создалась? Или всё-таки нет?
Михаил Фильченков. Нет, но если кто-то к нам пошлёт сообщение,
то мы сможем его принять. Поэтому мы можем послать
сообщение и можем принять.
Александр Гордон. Было бы кому.
Михаил Фильченков. Да, да. Так вот, ситуация следующая – есть
такая фантастическая модель, что цивилизации суще-
ствуют какое-то конечное время, и они должны как-то
передать свою информацию каким-то другим цивили-
зациям в нашей Вселенной и в других вселенных. Мы
не знаем, сколько цивилизаций существует. Но мы зна-
ем, что есть наша, по крайней мере. И как они могут
передать информацию из одной вселенной в другую?
Они могут передать либо через чёрные дыры, кото-
рые…
Александр Гордон. Каков объём информации?
Михаил Фильченков. Да, объём информации. Объём информации
очень интересный. Оказалось, что вероятность пере-
дачи очень маленькая, а информации, которую мы мо-
жем передать, приблизительно столько же, сколько со-
держится в геноме человека. То есть, мы можем пере-
дать через этот туннель…
Александр Гордон. Вы и с этим тоже не согласны?
Михаил Фильченков. Подождите, я сейчас закончу.
Андрей Гриб. Геном передан сюда из другой цивилизации?…
Михаил Фильченков. То есть понимаете, оказывается так, что чем
больше информации, тем меньше вероятность её пе-
редать. Если передать легко что-то, то информации
очень мало. Для того чтобы передать, скажем, геном
человека, нужно е в степени минус 10 в десятой сте-
пени.
Александр Гордон. А чтобы передать Книгу Бытия, сколько
нужно?
Михаил Фильченков. А для того, чтобы передать просто какую-то ма-
ленькую книгу, нужна вероятность е в степени минус
10 где-то в восьмой степени. То есть в принципе кто-
то может эти сообщения к нам прислать. И возможно
даже, что и сама жизнь явилась результатом того, что
кто-то передал этот геном…
Александр Гордон. Чем это лучше, чем Господь Бог?
Михаил Фильченков. А это неизвестно.
Андрей Гриб. Может быть, я закончу. Здесь, мне кажется, мы
имеем возврат к некоторому эллинскому богословию.
Потому что чем эллинское богословие отличалось от
христианского? У них боги находились где-то на Олим-
пе. Здесь предлагается где-то другое место, другая
вселенная, откуда Боги посылают эту информацию. Но
так как теория весьма спекулятивна, потому что её
проверить нельзя, то я лично…
Александр Гордон. К тому же, она всё равно не даёт ответа
на вопросы, которые мы ставим…
Андрей Гриб. К сожалению, да. Но я лично предпочитаю хри-
стианское богословие, как более развитое, чем эллин-
ское, которое здесь сейчас предлагается.
Михаил Фильченков. Нет, это только гипотеза…
Александр Гордон. С вашей точки зрения наблюдатель был
и…
Андрей Гриб. Если брать просто стандартную копенгагенскую
интерпретацию, то мы должны как-то анализировать
этот вопрос о наблюдателе. Либо это сегодняшние на-
блюдатели, которые судят о прошлом, либо мы долж-
ны говорить о сознании в каком-то более широком
смысле.
Александр Гордон. То есть вполне возможно, что наш взгляд
туда за горизонт этого события, вернее, на горизонт со-
бытий, с помощью тех самых гравитационных волн –
это и будет тот самый взгляд наблюдателя, который,
возможно, создал нашу Вселенную.
Андрей Гриб. Да, это уилеровская точка зрения – участвую-
щая Вселенная, – то, что вы сейчас излагаете.
Александр Гордон. Потрясающе. Но время уже кончилось…


Обзор темы


А. А. Гриб:
1) В 1922 году петроградский математик Александр Александрович Фридман опубликовал работу, в которой впервые нашел решение уравнений Эйнштейна, описывающее расширяющуюся Вселенную. В этой работе им было высказано утверждение о том, что Вселенная имела начало десять миллиардов лет тому назад. Сегодня это время оценивается как 13,7 миллиардов лет!
Открытие Фридмана обычно сравнивается с открытием Коперника гелиоцентрической системы, но сегодня благодаря идее антропного принципа можно сказать, что оно скорее является антикоперниканским. В отличие от взглядов, согласно которым Вселенная бесконечна в пространстве и времени и похожа на бесконечный «супермаркет» с различными вещами в различных местах, так что одной из таких вещей является планета Земля с человечеством на ней, причем из-за бесконечности Вселенной во времени в принципе нельзя объяснить, как все это возникло, сегодня мы имеем совсем другую картину.
Вселенная выглядит как рационально организованная эволюция от начального вакуума к первым элементарным частицам, затем к первым атомным ядрам легких элементов, затем к первым атомам. После этого внутри звезд идет синтез тяжелых элементов, в частности углерода. Благодаря взрывам сверхновых звезд углерод попадает в космическое пространство, и в конце концов благодаря биологической эволюции возникает самый сложный объект во Вселенной — человеческий мозг! Поэтому, глядя на звезды на небе, современный человек некоторым образом смотрит на место своего далекого детства, о котором «помнят» элементарные частицы и атомы его тела. Если бы мы могли воспринять эту «память» нашего тела о своем рождении из вакуума и из точки начала Вселенной, где было определено ее будущее, то мы могли бы без телескопов восстановить историю Вселенной. Тем самым в отличие от человека 19 века, видящего на небе только «кошмар бесконечности» (выражение другого создателя современной космологии Жоржа Лемэтра), подступающий к нему как в пространстве, так и во времени, и делающий невозможным понимание его происхождения «здесь и теперь», сегодня мы имеем совсем другую картину.
Бельгийский ученый аббат Лемэтр в 1927 году (А. А. Фридман умер в 1925 году, и лишь скромная могила с православным крестом на Смоленском кладбище в Ленинграде напоминала о нем в течение многих лет) переоткрыл решение Фридмана, описывающее расширяющуюся Вселенную и связал это расширение с красным смещением спектров галактик и законом, впоследствии названным законом Хаббла. В 1929 году Хаббл, наблюдая другие галактики, открыл расширение Вселенной и Большой Взрыв. Отношение Эйнштейна к открытиям Фридмана и Лемэтра было отрицательным, и лишь после открытия Хаббла он изменил свою точку зрения.
В 1931 году Лемэтр, рассуждая о начале Вселенной, высказал идею о ее квантовом рождении. Первоначально был некий «первоатом» с массой порядка массы наблюдаемой Вселенной, описываемый квантовой теорией, который затем распался на многие более легкие частицы, так что при этом возникла ненулевая энтропия Вселенной и появилась «стрела времени» от прошлого к будущему.
В 1965 году Пенроузом и Хокингом была доказана теорема о неизбежности сингулярности — обрыва линий времени в прошлом в расширяющейся Вселенной.
В связи с конечностью скорости света, наблюдая далекие галактики, мы заглядываем в прошлое Вселенной и постепенно приближаемся к самому ее началу. Сегодня мы уже видим области, где не было галактик, и все было заполнено «первым светом» — реликтовым излучением. Недавно мы зарегистрировали с помощью аппаратов «Бумеранг» и «МАП» первый звук. Это был тихий «шепот» в инфразвуковом диапазоне. Там, где он раздался, появились галактики. Это было в эру рекомбинации — 300 тысяч лет от начала Вселенной.
Что же было в самом начале Вселенной? Можно ли взглянуть в его «лицо»?
Это возможно в будущем с помощью гравитационных волн.
2) В зависимости от модели Вселенной начало возможно как одна точка, из которой произошло все — ее называют альфа — точка (случай Вселенной с ненулевой космологической постоянной) или множество начальных точек.
Эта точка причинно (через световые точки) связана с любой будущей по отношению к ней точкой пространства-времени и тем самым все от нее зависит, она же не зависит ни от чего. В некотором роде эта точка характеризует всю Вселенную в целом.
Однако имеется основание считать, что в так называемое планковское время гравитацию и пространство время нельзя описывать классической физикой и необходимо строить некоторую квантовую теорию гравитации. В строгом смысле такая теория не существует. Наибольшее развитие получила модель, основанная на использовании уравнения Уилера-ДеВитта и волновой функции Вселенной, являющейся решением этого уравнения. Для времен, больших планковского, Вселенная описывается моделью инфляции. В это время в ней не было ни света, ни вещества. Вещество и реликтовое излучение возникают позднее за счет рождения тяжелых частиц гравитацией и последующего распада их на кварки и лептоны с несохранением барионного заряда и СР четности. Так что ни в возможной сингулярности, ни в планковскую эру никакой бесконечной плотности вещества не было.
3) Для описания ранней Вселенной необходимо пользоваться квантовой теорией, поскольку уже до эры рекомбинации никаких макротел в ней не было, в планковскую эру же, по-видимому, нужно квантовать гравитацию. Последовательной квантовой теории гравитации не существует, но имеются некоторые модели, из которых наиболее популярной является модель, основанная на уравнении Уилера-ДеВитта и волновой функции Вселенной, удовлетворяющей этому уравнению. Эта волновая функция в квазиклассическом пределе приводит к появлению времени и стадии инфляции для ранней Вселенной, после которой наступает фридмановская стадия, подтверждаемая наблюдениями. Впрочем, и некоторые предсказания инфляционной, предфридмановской стадии также подтверждаются наблюдениями.
В связи с понятием волновой функции Вселенной и рождением Вселенной из ничего, по аналогии с туннельным переходом, возникает множество вопросов об интерпретации такой квантовой теории. Прежде всего, это проблема роли наблюдателя, без которого в копенгагенской интерпретации в мире нет никаких определенных свойств. Так, сам туннельный переход, а значит и рождение Вселенной из ничего невозможны без наблюдателя, производящего определенное измерение. При другом измерении ничего этого не будет. Точно также, если квантование гравитации истолковывать как возможность наблюдения с разной вероятностью разных геометрий, то в планковскую эру с разной вероятностью, иногда и малой, будут присутствовать какие угодно длины, в частности равные и радиусу современной наблюдаемой Вселенной, так что планковский размер — это только среднее значение. Последнее возвращает нас к идее, что начало Вселенной характеризует не одну точку, но глобальное свойство Вселенной. Неясно, в каком пространстве при этом находится сам наблюдатель?
Все это заставило некоторых теоретиков отказаться от копенгагенской интерпретации в пользу идеи многих Вселенных в смысле Эверетта-Уилера — многомировой интерпретации. Тогда вместо одной Вселенной нужно говорить о многих Вселенных, проявляющих себя через микромир. Одна Вселенная заменяется на «Мультиверс» — ансамбль Вселенных. Эта точка зрения нашла некоторую поддержку при интерпретации антропного принципа и самовосстанавливающейся бесконечной в пространстве и времени Вселенной в теории инфляции. К сожалению, однако, эта интерпретация не свободна от некоторых нерешенных проблем, делающих ее неконкурентоспособной с обычной копенгагенской интерпретацией. Это проблема предпочтительного базиса и проблема противоречия с теоремой Кошена-Шпекера, запрещающей для квантовых свойств существование логической функции истинности, тем самым запрещающей про другие миры говорить слово «есть». Эти миры «существуют как потенциальные возможности» и становятся реальными при наблюдении, что и есть копенгагенская интерпретация.
Идея бесконечного существования Вселенной во времени в прошлом противоречит конечному значению наблюдаемой энтропии Вселенной.
Что касается обсуждаемых иногда в квантовой космологии моделей рождения Вселенной в лаборатории, то неясным является предположение о физической реализуемости уравнения состояния материи при переходе к деситтеровской стадии от шварцильдовской. Рождение же Вселенной из гравитационной пены сейчас в лаборатории вряд ли возможно, если считать, что в ранней Вселенной гравитационная постоянная была другой за счет поляризации вакуума, что подтверждается некоторыми нашим вычислениями. Впрочем, говоря об измерениях для гравитационной пены, мы опять наталкиваемся на ту же проблему наблюдателя.
Так или иначе, но ясно, что приближение к началу Вселенной и наблюдение его с помощью гравитационных волн приведет к новому синтезу не только в физике, но возможно потребует нового взгляда на человека как наблюдателя этой Вселенной.

М. Л. Фильченков:
Эволюция космологических представлений в ХХ веке.
Космология — это наука о Вселенной в целом. Наблюдательная космология является частью астрономии. Теоретическая космология развивалась с самого начала в основном на базе общей теории относительности. Это связано с тем, что внегалактическая астрономия (изучающая объекты вне нашей Галактики), без которой немыслима космология, была создана только в 20-х годах прошлого века, когда общая теория относительности уже была известна.
Основные этапы развития наблюдательной космологии:
1925 г. Слайфер измерил красные смещения 41 галактики.
1929 г. Хаббл на основе анализа красных смещений галактик и их интерпретации с помощью эффекта Доплера установил закон расширения Вселенной v=HR, где v- скорость удаления галактики, R — расстояние до нее, H — постоянная Хаббла (современное значение Н= 65 км/с Мпс).
1958 г. Оорт обнаружил скрытую (несветящуюся) массу в скоплениях галактик.
1963 г. Шмидт открыл квазары (квазизвездные объекты со светимостью превышающей светимости галактик).
1965 г. Пензиас и Уилсон обнаружили реликтовое (т.е. пришедшее из ранней Вселенной) электромагнитное излучение с температурой Т= 3 К.
1979 г. Уолш впервые наблюдал гравитационную линзу (объект, искривляющий лучи света за счет тяготения).
1992 г. Смут и др. измерили анизотропию реликтового излучения и получили разброс температур ΔТ/Т=10-5.
1998 г. Филиппенко и др. по наблюдениям сверхновых в далеких галактиках обнаружили ускоренное расширение Вселенной. Отсюда следовало, что основной вклад в плотность энергии Вселенной дает несветящаяся материя, т. н. квинтэссенция (темная энергия, т. е. среда с отрицательным давлением).
2002 г. Ковач и др. обнаружили поляризацию реликтового излучения.
Основные достижения теоретической космологии:
1917 г. Эйнштейн предложил модель статической Вселенной с ненулевой космологической постоянной.
1917 г. Де Ситтер разработал несингулярную модель нестационарной пустой Вселенной с космологической постоянной, которая расширяется по экспоненциальному закону.
1922 г. Фридман предложил сингулярную модель нестационарной Вселенной без космологического члена, которая расширяется по степенному закону.
1931 г. Лемэтр высказал гипотезу о рождении расширяющейся Вселенной в результате взрыва первичного атома (Большой взрыв).
1946 г. Гамов предсказал существование реликтового изучения в рамках модели горячей Вселенной.
1965 г. Глинер предложил гипотезу о существовании на ранней стадии эволюции Вселенной вакуумо-подобной среды (эквивалентной космологической постоянной), приводящей к космологической модели де Ситтера, которая в силу неустойчивости затем переходит в модель Фридмана. Это вакуумо-подобное состояние Глинер считал также и конечным состоянием гравитационного коллапса.
1967 г. ДеВитт вывел основное уравнение квантовой геометродинамики (которое описывает квантование гравитации как геометрии и называется уравнением Уилера-ДеВитта) и рассмотрел первую квантово-космологическую модель.
1970 г. Гриб, Мамаев, Мостепаненко, Зельдович, Старобинский и Паркер разработали теорию рождения частиц во фридмановской Вселенной.
1973 г. Фомин и Трайен предложили модель рождения Вселенной в результате квантовой флуктуации.
1981 г. Гут, исходя из гипотезы о наличии первичного скалярного поля, предложил модель инфляционной Вселенной (с начальной деситтеровской стадией), которая устранила некоторые трудности фридмановской модели.
1982 г. Виленкин на основе уравнения Уилера-ДеВитта предложил квантово-космологическую модель для деситтеровской Вселенной и свел рассмотрение ее рождения из деситтеровского вакуума как квантовой флуктуации к туннельному эффекту, аналогичному альфа-распаду радиоактивного атома.
1983 г. Хартл и Хокинг ввели в рассмотрение волновую функцию Вселенной.
1986 г. Линде предложил рассматривать мир в целом в виде бесконечного фрактала, состоящего из раздувающихся Вселенных.
1987 г. Фархи и Гут рассмотрели рождение Вселенной в лаборатории в результате искусственного сжатия вещества до гравитационного радиуса и его перехода в другую Вселенную.
1998 г. Хокинг и Турок показали возможность рождения открытых и плоских Вселенных.
1999 г. Гаррига, Муханов, Олум и Виленкин рассмотрели возможность связи сверхцивилизаций через черные дыры.
Существует что-либо вне нашей Вселенной?
Рассмотрение инфляционных моделей, а также возможных механизмов образования деситтеровского вакуума в результате гравитационного коллапса привели к мысли о том, что мир в целом бесконечен и состоит из множества Вселенных, образующих фрактальную структуру. Каждая Вселенная, как и наша, расширяется сначала экспоненциально, а затем по степенному закону.
Необходимость рассмотрения квантовых явлений в ранней Вселенной.
Из факта расширения Вселенной следует, что в прошлом она имела микроскопические размеры. Как известно, в микромире действуют законы квантовой теории. По мере удаления в прошлое картину сначала можно считать полностью классической, затем необходимо с помощью квантовой теории поля рассматривать рождение частиц (и другие квантово-полевые эффекты) в искривленном пространстве-времени. Наконец, на временах меньших 10-35 сек (отсчитываемых от состояния с бесконечной плотностью, т. е. сингулярности, которая в классической области не достигается, а заменяется деситтеровской стадией) следует квантовать геометрию пространства-времени. Такое квантование получило название квантовой геометродинамики, основным уравнением которого является уравнение Уилера-ДеВитта. В простых случаях квантовая геометродинамика (применительно к космологии называемая квантовой космологией) формально сводится к квантовой механике, хотя возникают трудности с ее интерпретацией. Альтернативный подход состоит в трактовке гравитации как тензорного поля, которое квантуется на фоне плоского пространства-времени. Кванты этого тензорного поля (называемые гравитонами) — безмассовые и имеют спин равный 2. В рамках теории возмущений эта теория приводит к неустранимым расходимостям (т.е. она неперенормируема), поэтому этот подход мы рассматривать не будем. Устранение указанных расходимостей возможно в рамках многомерных теорий супергравитации и суперструн, но этот вопрос требует отдельного детального анализа и не входит в рамки нашей темы.
Квантовая космология — частный случай квантовой геометродинамики, объединяющей общую теорию относительности и квантовую механику.
Для однородной изотропной Вселенной из общей теории относительности выводятся уравнения Фридмана, описывающие эволюцию Вселенной во времени. Из первого уравнения Фридмана, имеющего вид T+U=E (где T — кинетическая, U — потенциальная, а Е — энергия Вселенной, описывающая закрытую, открытую и плоские модели), получаем путем замены T+U-E=H уравнение Уилера-ДеВитта HΨ=0, где Ψ — волновая функция Вселенной. Импульс в выражении для кинетической энергии Т заменяется на оператор (действующий на волновую функцию), вид которого следует из корпускулярно-волнового дуализма квантовой механики (отождествления формулы для энергии частицы с волновым уравнением). Уравнение Уилера-ДеВитта имеет вид стационарного уравнения Шредингера с нулевой энергией, соответствующей тому, что вне рассматриваемой Вселенной ничего нет, а следовательно нет и внешнего наблюдателя, по часам которого она могла бы эволюционировать. Время возникает только на стадии классической эволюции. Таким образом, уравнения Эйнштейна сводятся к стационарному уравнению типа уравнения Шредингера, которое решается в рамках стандартной квантовой механики.
Различные гипотезы возникновения классического мира из квантового.
Решая уравнение Шредингера, получаем волновую функцию, фаза которой при больших масштабных факторах (измеряющих расстояние от сингулярности) может быть связана с их зависимостью от времени. Таким образом, из вида волновой функции, являющейся решением уравнения Шредингера, можно получить какую зависимость от времени будет иметь масштабный фактор в классической области. Классический мир в квантовой космологии оказывается запрограммированным на квантовом уровне. Квантовая механика требует наличия классической области, в которой помещается система отсчета с часами и макроскопическими приборами. Как видно из предыдущего, в квантовой космологии эта классическая область, где можно ввести время, имеется. В экспериментах по физике элементарных частиц мы измеряем расстояния порядка 10-17 см, а размеры наблюдателя порядка 102 см (т.е. на 19 порядков больше). В квантовой космологии, где характерный размер порядка 10-24 см, то же соотношение между размерами квантовой и классической областей дает размер классической области порядка 10-5 см, сравнимый с размером 1 гена человека. Ни о какой психологии или сознании наблюдателя (о чем так часто упоминают в последнее время при интерпретации квантовой механики) здесь говорить не приходится.
Квантовое рождение Вселенной из вакуума в результате туннелирования через потенциальный барьер.
Рождение Вселенной в квантовой космологии в самом простом случае моделируется прохождением планкеона (т.е. частицы с массой 10-5 г) через потенциальный барьер за счет туннельного эффекта (открытого Гамовым в 1928 г.) аналогично тому, как альфа частица испускается атомным ядром. Выход планкеона из-под барьера соответствует рождению Вселенной из десситеровского вакуума. Вероятность рождения Вселенной очень мала, но может превышать значение, равное еxp(-109).
Что предшествовало рождению Вселенной?
Если считать, что наша Вселенная только часть бесконечного мира, то в принципе она могла возникнуть в результате процессов, происходивших вне ее.
Создание Вселенной в лаборатории.
Фархи и Гут рассмотрели мысленный эксперимент, который в литературе получил название «создание Вселенной в лаборатории». Тело искусственно сжимают до тех пор пока оно не уйдет под свой гравитационный радиус (горизонт событий) rg=2GM/c2, где М — масса тела, G — гравитационная постоянная, с — скорость света, достижение которого для внешнего наблюдателя происходит за бесконечное время.
Под горизонтом образуется деситтеровский вакуум (например, согласно гипотезе Глинера). Этот вакуум неустойчив и должен расшириться, но он не может расшириться в наше пространство, т. к. это расширение по часам наблюдателя в лаборатории должно было бы быть в момент больший бесконечности, что невозможно. Поэтому он расширяется в другое пространство, образуя там новую Вселенную. Оказывается, что время, необходимое для расширения нашей Вселенной за счет инфляции (необходимое для образования галактик), по порядку величины равно величине r0/c, где r0 = 10-24 см — характерная длина в теории Великого объединения (электрослабого и сильного взаимодействий при энергии Е=3*1014 ГэВ). Если r0=rg, то для получения деситтеровского вакуума, из которого в другом пространстве рождается новая Вселенная, необходимо в лаборатории в нашем пространстве сжать тело с массой М=10 кг до плотностей порядка 1076 г/см3. При современном уровне техники это, конечно, невозможно, но в принципе это может быть достижимо для сверхцивилизации. Наша Вселенная могла быть создана сверхцивилизацией, расположенной в другом пространстве (смежной Вселенной).
Возникновение Вселенной в результате гравитационного коллапса в другом пространстве.
Другая более естественная модель, объясняющая появление нашей Вселенной, это коллапс черной дыры в другой Вселенной, в результате которого естественным путем образуется деситтеровский вакуум, расширяющийся в наше пространство.
Ли Смолин предложил объяснять фрактальную структуру мира в целом как результат гравитационного коллапса в смежных Вселенных. В одной Вселенной на определенном этапе ее эволюции образуются черные дыры, которые коллапсируют, образуя десситеровские вакуумы, расширяющиеся в другие пространства, рождая там новые Вселенные. В новых Вселенных опять образуются черные дыры, которые коллапсируют, образуя деситтеровские вакуумы, расширяющиеся в третьи пространства, в которых опять образуются новые Вселенные. И так до бесконечности.
Передача сверхцивилизациями информации из одной Вселенной в другую.
Если рассматривать мир в целом как бесконечный фрактал, то через черные дыры в принципе можно передавать информацию из одной Вселенной в другую. Гаррига, Муханов, Олум и Виленкин предположили, что сверхцивилизации способны передавать информацию через деситтеровские вакуумы, связывающие различные Вселенные. Оценки показывают, что с той очень малой вероятностью туннелирования через барьер, которая имеет место при квантовом рождении Вселенной, в другое пространство может быть передана информация, содержащаяся в объеме средней книги.
В заключение стоит процитировать одного из создателей квантовой космологии Александра Виленкина: «Жаль, что квантовая космология, вероятно, не станет наблюдательной наукой, но без нее наша картина мира была бы неполной», а также известного специалиста по гравитации космологии и релятивистской астрофизике Игоря Новикова, который писал о рождении Вселенной в лаборатории: «Мы хотели бы поделиться с читателями этими соображения с переднего края науки, надеясь, что сказанное дает еще один пример тех необыкновенных глубин в познании природы, до которых дошла человеческая мысль».

Библиография


Глинер Э. Б. Раздувающаяся Вселенная и вакуумоподобное состояние физической среды//УФН. 2002. Т. 172. № 2
Гриб А. А., Мамаев С. Г., Мостепаненко В. М. Вакуумные квантовые эффекты в сильных внешних полях. М., 1988.
Гриб А. А. Концепции современного естествознания. Физика. СПб., 2000.
Новиков И. Д. Как взорвалась Вселенная. М., 1988.
Сажин М. В. Современная космология в популярном изложении. М., 2002
Чернин А. Д. Космический вакуум//УФН. 2001. Т. 171. № 11
Уилер Дж.А. Предвидение Эйнштейна. М., 1970
Dymnikova I.G., Dobosz A., Fil’chenkov M.L., Gromov A. Universe inside a black hole//Phys. Lett. 2001. B 506
Dymnikova I., Fil’chenkov M. Quantum birth of a hot universe//Phys. Lett. 2002. B545 Farhi E., Guth A.H. Is it possible to create a universe in the laboratory by quantum tunneling?//Nucl. Phys. 1990. B 339
Fil’chenkov M. L. The pre-de-Sitter Universe in terms of quantum mechanics//Phys. Lett. 1995. B 354
Fil’chenkov M. L. Quantum collapse and the birth of a new universe//Phys. Lett. 1998. B 441
Grib A. A. Early Expanding Universe and Elementary particles. St. Petersburg, 1995
Grib A., Rodrigues W. A. Nonlocality in quantum physics. N.Y., 1999
Luminet J. P., Grib A. A. Alexandre Friedmann, Georges Lemaitre//Essais de cosmologie. Paris, 1997 Тема № 276(65)

  • ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ РАЗДЕЛА:
  • РЕДАКЦИЯ РЕКОМЕНДУЕТ:
  • ОСТАВИТЬ КОММЕНТАРИЙ:
    Имя
    Сообщение
    Введите текст с картинки:

  • Тарас Атавин 2012-03-29 12:13:35

    Работа Фридмана разве что излишне материалистична, а как раз вся эта диалектика перехода количества в качество, диктатуры в справедливость, формаций и тому подобной фигни - предельно возможный идеализм. Создание жизни в другой вселенной путём передачи туда информации - это как раз божественное творение, сам экспериментатор с нашей точки зрения есть бог-творец всего сущего вообще в нашей вселенной и жизни в частности. И бог в этом случае не эллинский, а трансцендентный. Он находится где то? Эйси. Но в нашей вселенной он ни где, его здесь вообще нет.

  • Тарас Атавин 2012-03-29 12:13:34

    Работа Фридмана разве что излишне материалистична, а как раз вся эта диалектика перехода количества в качество, диктатуры в справедливость, формаций и тому подобной фигни - предельно возможный идеализм. Создание жизни в другой вселенной путём передачи туда информации - это как раз божественное творение, сам экспериментатор с нашей точки зрения есть бог-творец всего сущего вообще в нашей вселенной и жизни в частности. И бог в этом случае не эллинский, а трансцендентный. Он находится где то? Эйси. Но в нашей вселенной он ни где, его здесь вообще нет.

  • Гусейн Гурбанов 2011-04-18 21:02:40

    Все космологические теории направлены на пологание "процесса центробежно
    рассредотачиваемостного развёртывания"
    для которого отсутствует его логическое
    завершающее,т.е. "процесс центростремительно сосредотачиваемостного свёртывания".
    Такая космологическая "скатерть-самобранка" начинаясь с минимально
    возможного беспредельного - с математической точки -,не может состояться вообще, ибо не имеет определяемого максимально возможного
    беспредельного!И, потому, такая "Вселенная" однажды гипотетически "начавшись" никогда более "не свёртывается"!

Интеллект-видео. 2010.
RSS
X