Страница:
Вселенная и Человек
25.06.03
(хр.00:50:07)
Участники:
Юрий Николаевич Ефремов – доктор физико-математических наук, профессор.
Артур Давыдович Чернин – доктор физико-математических наук, профессор.
Александр Гордон: …которая прозвучала как одна из версий возникновения Вселенной в этой программе. Версия была, если я верно излагаю, следующая: физический вакуум, вот этот самый непостижный и непонятный нам первичный вакуум в результате некоей флуктуации произвёл частицу, которая, пройдя под барьером, из-за туннельного эффекта, попав в то, что теперь называется пространством-временем, всё и натворила. То есть, это так или иначе приближение к квантовой теории гравитации и, следовательно, квантовой теории происхождения Вселенной. У меня возникает одна большая проблема: если верить современной квантовой механике, в момент возникновения этой частицы и её туннелирования, её прохода под барьером, должен был быть наблюдатель. И вот тут взамен версии, которую предлагают многие учёные (я читал это и в материалах к сегодняшней программе, версии от божественного до разумного происхождения наблюдателя; некий разум, может быть, схожий с нами, произведший эксперимент в лаборатории, в результате чего получилась эта самая Вселенная), я услышал вдруг вот какую версию. Поскольку речь шла об обнаружении гравитационных волн, которые вот-вот сможем поймать и зафиксировать, то у нас появится возможность пройти через реликтовое излучение своим взглядом и попасть туда, в самое начало Вселенной. И вот тогда, поскольку время-то относительно – прошлое, настоящее, будущее – всё, в общем, одномоментно, – тогда у начала Вселенной появится наблюдатель, необходимый для её происхождения, и этот наблюдатель – мы. Вот это меня абсолютно поразило, и я требую, просто настаиваю на ваших комментариях.
Артур Чернин: Это большая честь для нас сотворить Вселенную своим фактом её наблюдения. Но нужно подумать о том, как проверить эту идею экспериментальным путём. И если это не физика, а философия, пожалуйста, можете говорить что угодно, не заботясь ни о каких экспериментальных тестах. Но если вы желаете говорить о физике, извольте придумать эксперимент, хотя бы мысленный, эксперимент, в котором вы бы проверили, в самом ли деле вы своим взглядом, ну пусть с помощь гравитационных волн, на начальное состояние Вселенной, этим самым взглядом её сотворили. Скажите, вы можете представить себе такой эксперимент?
А.Г. Я – нет. Но я, честно говоря, и не размышлял над этим с точки зрения эксперимента.
А.Ч. Я тоже не могу себе представить такого эксперимента, и я думаю, что его и не существует, не существует эксперимента, который дал бы ответ «да» или «нет» на вопрос, правильно так рассуждать или это ложное рассуждение. Ну, если нет такого эксперимента, я думаю, что нет. Ты как считаешь?
Юрий Ефремов: Эксперимента не видно, конечно, но сама идея возникновения Вселенных, множественных Вселенных как флуктуаций первичного вакуума, она вполне научна, она же входит в составную часть теории инфляции, правда ведь?
А.Ч. Ну то, что входит как составляющая часть в теории инфляции, не говорит ни «за» и ни «против», я бы даже сказал, скорее «против» этого. Теория-то не проверена.
Ю.Е. Теория не проверена, но она имеет некую философскую красоту – бесконечный и вечный вакуум, в котором то в одном, то в другом месте возникают из элементарных частиц быстро раздувающиеся вселенные, причём, в самое разное время. В каждой вселенной своя физика, может быть, разное число размерностей, другие элементарные частицы.
А.Г. Но мы опять упираемся в невозможность экспериментальной проверки.
Ю.Е. Да, к сожалению, это, конечно, верно, но всё же один «эксперимент» был проведён успешно – это наша Вселенная, и это мы, которые в ней живём, потому-то наша Вселенная кажется удивительным образом точно подогнана к возможности нашего существования. Это то, что называют антропным принципом. Я думал об этом говорить в конце, но можно и вначале.
А.Г. Я думаю, что стоит вначале, потому что ведь именно из-за того, что современная наука, пользуясь математикой, математической логикой, теориями, которые проверены, которые работают уже как инженерные системы, та же квантовая механика, она приходит к каким-то заключениям, которые ни мыслимым, ни немыслимым экспериментом проверить нельзя. И это заставляет многих критиков говорить о том, что наука в её классическом виде, «теория, практика, эксперимент», она закончилась, что она вступает в область метафизических исследований, где любая теория хороша, если она, как вы изволили выразиться, красива.
Ю.Е. Это второй вопрос, который действительно мы обязательно затронем. Но если сейчас немножко продолжить про антропный принцип. Известно, что, скажем, если бы было в пространстве два или четыре измерения, уже не было бы устойчивых орбитальных движений ни звёзд, ни планет и так далее. Если бы масса протона не была столь близка к массе нейтрона, не существовали бы стабильные атомы. Удивительным образом выпадает из общего ряда масса электрона, которая примерно в 1800 раз меньше, чем у протона. И много-много таких закономерностей. И вот спрашивается, значит, кто-то измыслил нашу Вселенную так, чтобы она была подходящей для нашего существования. Фред Хойл, знаменитый астрофизик и фантаст в «Чёрном облаке» прекрасно сформулировал эту проблему, как правильно подходить к задаче. Дело в том, что мы – дети этой нашей Вселенной, и поэтому не нужно ставить телегу впереди лошади. Наша логика отвечает логике нашей Вселенной, потому что мы родились в нашей Вселенной. Как быть с возможностью, что существует множество вселенных, может быть, они есть, может быть, нет, это действительно некое умозрительное соображение. Но наша Вселенная есть, мы в ней есть, мы в ней проэволюционировали и достигли даже состояния разумности, так что можем рассуждать. И есть целое направление в теории познания, одно из немногих, которое поддерживают естествоиспытатели. Сейчас в философии действительно зарождается такая тотальная критика научного подхода к миру.
А.Ч. И физика заражается этим самым тоже.
Ю.Е. Немножко есть. И вот есть это направление, эволюционная теория познания, которая говорит, что мы дети нашей Вселенной и наши познавательные способности отвечают устройству Вселенной, ибо они такими появились в процессе эволюции. Вот если бы именно нашей Вселенной не было бы, просто не было бы и личности, которой поставили бы такой вопрос. Так что всё в пределах нашей Вселенной вполне увязано. И хотя говорят, что вот мы можем воспринимать мир сквозь какое-то узкое окно, что мы закидываем на мир сеть с какими-то ячейками и вылавливаем из мира только то, что больше ячеек… Но ведь ячейки становятся всё меньше и меньше, и если мы смотрим сквозь окно – пожалуйста, можно с этим согласиться. Но мы прорубаем всё новые окна, и мы видим на практике, что наши знания всё время расширяются и расширяются, и они действительно объективно отвечают нашему миру. Уже просто сам тот факт, что вот мы здесь сидим, на нас светят лампы и посредством этого электромагнитного магнитного поля нас видно отовсюду, это возможно именно потому, что наши познавательные способности сформировались как ответ на логику Вселенной. И всё это обязано, в конце концов, бескорыстной, действительно, любознательности учёных.
В 20-х годах уже позапрошлого века Ампер и Эрстед увидели, что у компаса, поднесённого к проводнику с током, стрелка поворачивается. Отсюда всё и пошло – Фарадей, Максвелл, Герц, Попов и так далее. И вот критики науки почему-то поразительным образом об этом забывают, они забыли, что вся цивилизация технологическая держится именно на том, что 20, 50 или 180 лет назад учёные просто в силу внутреннего любопытства чем-то таким заинтересовались.
А.Г. Я думаю, что критика-то строится немножко по другому принципу…
Ю.Е. Но по этому тоже.
А.Г. …понимая, что существованием той цивилизации, в которой мы живём, мы обязаны в первую очередь наукам, и естественным наукам, разумеется. Может быть, здесь недовольство качеством – я имею в виду сейчас не качество быта, а качество жизни, потому что человек в разгадке вопроса не ближе, чем Аристотель или его ученики, хотя мы прошли такой огромный путь. Может быть, этим вызвана критика науки? То есть, мы узнаём всё больше и больше о мире, эта сетка становится всё меньше и меньше, она превратилась уже даже не в комариную, а в атомную, ну и что?
Ю.Е. Вот это действительно серьёзный и глубокий вопрос, на который есть совсем разные точки зрения. Знаменитый физик Фейнман думает, что мы, в конце концов, построим единую теорию всего и останется только какие-то частности изучать. Но есть и другая точка зрения, которая, скорее, приближается к старой притче о том, что по мере расширения области наших знаний увеличивается и поверхность соприкосновения с неизвестным.
А.Г. Мы гонимся за горизонтом.
Ю.Е. Но важный момент состоит в том, что внутри горизонта мы действительно знаем то, что мы знаем. А критика направлена на то, что, дескать, у нас знания недостоверны, потому что одни теории сменяют другие. Но они, эти критики, не понимают, что действует принцип соответствия. Новое знание всегда, если оно научное, если оно правильное, всегда включает старое как частный или предельный случай. Ньютонова механика оказывается разновидностью эйнштейновской для малых скоростей и так далее и так далее. В общем, завоёванных территорий наука не отдаёт, она продвигается дальше и дальше. Ну, или можно ещё так сравнить.
Мы, учёные-исследователи, строим картину мира. (Слово «учёные» какое-то нехорошее, лучше говорить «исследователь». Действительно, учёный, он в основном мало учёный, либо он понимает не так уж много). Но все исследователи – люди, преданные своему делу, для них это смысл жизни, и они чем занимаются? Они строят, я бы сказал, бесконечную, мозаичную картину, в центре картина уже выглядит очень хорошо, резко все друг с другом состыкуется. И потом на периферии подстраиваются новые кусочки. Всякие, так сказать, лжеучёные, пытаются присоединить что-то совершенно несуразное, кусок, который не вяжется со всем остальным. А вот если этот кусочек правильный, он обязательно находит своё место сначала на периферии этой картины, может быть, дальше потом к нему же подстраиваются новые такие, отростки даже могут выступить. Потом заполняется промежуток между ними, и эта мозаичная картина расширяется и расширяется. И я, честно говоря, сейчас не знаю, есть ли предел у этого процесса.
А.Г. Тут у меня опять, тоже пользуясь вашей аналогией, есть вопрос. Помните про знаменитую архимедовскую точку опоры: дайте мне точку опоры, я переверну землю. Дайте мне точку отхода, чтобы я мог увидеть всю эту картину целиком, даже не бесконечную, даже ту, которая создана на сегодняшний день. Ведь посмотрите, что получается. Вы сравниваете это с картиной, а я, может быть, сравню с норами, прорытыми в земле. Скажем, очень далеко ушёл от центра, осознаваемого всеми учёными, исследователь в области биологии, и очень далеко ушёл астрофизик. И настолько далеко они ушли, что где они соединятся кроме разведанного центра той самой классической картины мира, от которой мы идём всё дальше, я не знаю. Это тоже критика науки. Зачем же нам знать больше, если мы не можем объединить это в единую картину?
А.Ч. Вы заметили, что критика науки, как правило, относится к теориям. Никто не критикует эксперимент или наблюдение. Почему?
А.Г. Ну да, потому что это невозможно.
А.Ч. Потому что, чтобы критиковать эксперимент или астрономические наблюдения, нужно понимать, о чём идёт речь. А в действительности ведь наука состоит по большей части из эксперимента и наблюдения. Теория – замечательный стимул для наблюдений и экспериментов. Но конечный продукт знания – это всегда эксперимент, астрономическое наблюдение. И здесь критики науки могли бы обратить внимание на то, что и в астрономии в последнее время, казалось бы, в такой абстрактной науке, как космология, часть астрономии, происходят такие замечательные открытия, настоящая революция, как некоторые считают. И всё это не результат теории, а результат прямых астрономических наблюдений.
Ю.Е. Чтобы вернуться к вашему вопросу, всё-таки именно астрономия изучает условия, которые приводят к появлению жизни, биологии и так далее и так далее. И в какой-то далёкой перспективе, я думаю, астрофизик найдёт и лучшее понимание с биологами. Оно, собственно, уже сейчас есть – проблема неземной жизни, проблема неземных цивилизаций. Действительно, Артур правильно заметил, что одновременно с таким разгулом критики науки (в особенности, связанном с постмодернизмом, который вообще говорит, что наука не более чем один из «текстов», что все «тексты» равноправны), в конце ХХ века началась новая великая эпоха в астрономии. Она началась с открытия других планетных систем. Я астрономией заинтересовался ещё где-то в третьем классе, и тогда мечта об открытии планет у других звёзд казалась несбыточной фантазией. Но в 1995-ом году была открыта первая планета около звезды, просто потому, что измерения лучевых скоростей стали настолько точны, что мы почувствовали, как звезда чуть дрожит вокруг центра тяжести своей планетной системы. Их сейчас уже около ста.
А.Ч. А попытка соединить астрономию с биологией уже была сделана. Первым астробиологом был Джордано Бруно. Он сказал, что жизнь существует на других планетах, хотя, возможно, и в других формах. Сейчас астробиология становится одной из новых и быстро развивающихся наук, благодаря наблюдательным открытиям астрономии в первую очередь. Открытие планет вне солнечной системы – это прямое подтверждение гипотезы Бруно о том, что существуют такие тела во Вселенной, которые похожи на Землю, а значит, на этих телах возможна жизнь…
Ю.Е. И есть совершенно конкретные наблюдательные программы, которые позволят, по-видимому, проверить, есть ли жизнь на очень далёких планетах у других звёзд. Просто мы уже подходим к возможности обнаруживать в спектре звезды линии кислорода, которые принадлежат атмосфере планеты, вращающейся вокруг неё, а кислород – это биогенное образование, кислород на земле сделан растениями, и практически много молекулярного кислорода можно сделать только каким-то живым процессом, иначе он очень быстро исчез бы, ушёл бы на окислительные процессы – значит, его кто-то непрерывно возобновляет. Такая задача поставлена, это проблема ближайших, может быть, пяти лет.
Ещё одно открытие. Вот изображение галактики М51 или Водоворот, вот прекрасная спиральная структура. А в центре сидит не что иное, как чёрная дыра, и это найдено по очень быстрому движению газа, в данном случае, движением газа вокруг ничтожно маленького объёма в центре галактики. Значит, если знаем скорости и размеры, знаем силу гравитацию, и в таких размерах может быть только чёрная дыра. А вот на следующей картинке, насколько я помню, должна быть галактика Андромеда, вот она. Считается, что наша собственная галактика очень похожа – туманность Андромеды вот она появилась – она видна сбоку, спиральные рукава, вот где-то на окраине мы сидим в нашей Галактике, где-то на окраине звёздной системы примерно такого же типа. И тоже такое центральное вздутие, центральный балдж, если угодно, а в центре сидит чёрная дыра. И это опять-таки только по движению газа заподозрено движение газа.
А наша собственная Галактика, на следующей картинке сейчас должна появиться, там мы уже около 10-ти лет отслеживаем быстрое вращение нескольких звёзд вокруг самого центра Галактики, – ну, конечно, не мы в России… Там мелькала картинка с нашим шестиметровым телескопом, а потом были картинки Вери Лардж телескопа, это на Южной европейской обсерватории, и Кек-телескоп 10-метровый на Гавайях. Эти два телескопа измерили движение звёзд просто непосредственно в самом центре галактики. Там оказались гигантские скорости орбитальных движений, десятки тысяч километров в секунду в области размером меньше солнечной системы. Вот это изображение нашей собственной Галактики, эта картинка охватывает полнеба, это в далёком инфракрасном диапазоне, и мы видим действительно это центральное сгущение нашей Галактики, а в центре сидит загадочный объект. Это абсолютно загадочная вещь, потому что если это не чёрная дыра, то это вообще… Это ещё что-то более чудовищное и непонятное – в чём нет необходимости, мы всегда должны выбирать минимальную гипотезу. А чёрная дыра – это уже проблема квантовой теории гравитации, к которой можно уже теперь подойти вплотную и экспериментально что-то изучать, наблюдательно. Правда ведь?
А.Ч. Главное – наблюдения, с наблюдениями, в самом деле, дела обстоят с каждым годом всё интереснее и интереснее. Казалось бы, теория должна преподносить сюрпризы, теория должна загадки нам загадывать или предлагать какие-то неожиданные отгадки. Но эксперимент и наблюдение – вот что удивляет нас и удивляет теоретиков, например, открытие вакуума во Вселенной, потрясающее открытие, которое сделали астрономы-наблюдатели.
Ю.Е. Да, это поразительная вещь, тут действительно было совершенно неожиданно сделано по открытиям Сверхновых звёзд в далёких галактиках. Вот как раз сейчас картинка, на которой показана далёкая галактика, отдельные звёзды на ней неразличимы, они сливаются в светлый туман. Но вот виден слева внизу один очень яркий объект. Это звезда, которая светит сейчас ярче ста миллионов звёзд, она вспыхивает так на короткое время. Оказалось, что светимость в момент максимума вспышки у некоторых типов этих звёзд одинаковая, и значит, мы можем построить по этим звёздам диаграмму расстояние – красное смещение. Это диаграмма, аналогичная той, которую впервые построил Хаббл по наблюдениям галактик, и которая доказала, что расстояния между галактиками увеличиваются, Вселенная расширяется. Хаббл тут, наверное, мелькал, но мы его пропустили, увлеклись разговором. Эта картинка показывает, особенно внизу слева должно быть видно, вот стрелка – галактика, и рядом сверкнула звезда, это уже у очень далёкой галактики. И оказалось, что поведение этих Сверхновых звёзд типа Ia… На диаграмме видимая величина – красное смещение. Оказалось, что Сверхновые отклоняются от линейной зависимости между расстоянием (красным смещением) и блеском (зависящим от расстояния и светимости). Физики долго не могли поверить в достоверность этого результата. Он означал открытие вакуума.
А.Ч. Да, это было открытие вакуума. Казалось бы, рутинные наблюдения, правда, наблюдения с самыми лучшими инструментами. Здесь и крупнейшие наземные телескопы, и Космический телескоп имени Хаббла на орбите. Огромный наблюдательный материал. Вот эти точечки, которые мы видим на верхней диаграмме, это всё наблюдения, это наблюдения отдельных вспышек Сверхновых. Почему именно Сверхновых? Потому что они очень яркие, как Юрий Николаевич сказал…
Ю.Е. Ярче обычных новых звёзд.
А.Ч. Гораздо ярче обыкновенных звёзд, даже ярче бывает целой галактики. Поэтому их видно на очень больших расстояниях, на таких больших расстояниях, где уже космологические эффекты появляются, где появляются эффекты не только космологического расширения, эффекты скорости расширения, но и эффекты ускорения или замедления расширения.
Ю.Е. Вот это решающая вещь.
А.Ч. Это в самом деле было решающим обстоятельством. Теоретики не мечтали и думать не могли ещё несколько лет назад, что удастся столь надёжно и определённо доказать существование вакуума во Вселенной в таких наблюдениях или вообще в каких бы то ни было наблюдениях. Эти наблюдения оказались чрезвычайно интересными, важными, неожиданными по выводам. Сами наблюдатели первое время не очень верили себе. Брайен Шмидт говорил, что он не только боится теоретикам объяснять свои результаты, но он их сам не очень хорошо понимает, почему это удалось сделать. А удалось это сделать потому, что использована самая современная техника, потому что велись рутинные, казалось бы, наблюдения, но на протяжении множества лет. И вот эти точечки, если посмотреть на диаграмму, особенно ближе к правому её краю…
Ю.Е. На верхней диаграмме.
А.Ч. Да, да. Они ложатся скорее на верхнюю из тех прямых, которые там показаны. Прямые – это теории, а точечки – это наблюдения. И вот тонкое различие между двумя теоретическими линиями на самом деле означает возможность двух миров – мир, который расширяется с ускорением, и мир, который расширяется с замедлением. Верхние точечки ложатся на верхнюю линию, это как раз линия, соответствующая миру, который расширяется с ускорением. А расширяться с ускорением он может только по одной-единственной причине, других причин мы просто не знаем, но эта причина наверняка существует – это существование вакуума, это присутствие во Вселенной вакуума, вакуума с очень высокой плотностью. Когда мы говорим «вакуум», мы, как правило, имеем в виду пустоту. Но это не пустота, это, конечно, очень сильно разрежённая среда. Но всё-таки это среда, плотность которой в среднем по Вселенной такая, что она превышает суммарную плотность всех остальных невакуумных видов материй, включая так называемую тёмную материю.
Ю.Е. И этот вакуум – среда с отрицательным давлением.
А.Ч. С отрицательным давлением к тому же, да. Именно отрицательное давление этой среды и создаёт эффект ускорения. Дело в том, что согласно общей теории относительности, это впервые было понято Эйнштейном, гравитационную силу создаёт не только масса и плотность вещества, но также и давление вещества. Это замечательная была мысль, которая подтвердилась во множестве и теоретических, и экспериментальных результатов. И придуманный Эйнштейном вакуум… А это он придумал в 1917 году в первой работе по космологии, основанной на общей теории относительности, он указал на возможность стационарной Вселенной, что само по себе не очень интересно, как выяснилось в дальнейшем, но причина, по которой Вселенная могла быть стационарной, это всеобщее отталкивание, это всемирное антитяготение…
Ю.Е. Которое компенсирует тяготение.
А.Ч. Которое компенсирует тяготение вещества и потому создаёт возможность статичности в мире. На каждую частицу действуют две силы – отталкивание и притяжение, и если они равны друг другу по величине и направлены противоположно, частицы покоятся, и так мир может покоиться. Однако мир на самом деле не находится в состоянии покоя, мир находится в состоянии расширения. Это доказал сначала теоретически Фридман Александр Александрович, петербургский математик, а затем это было доказано Хабблом, которого мы уже упоминали, знаменитым американским астрономом. Мир находится в состоянии расширения. Но до сих пор считалось, что это расширение происходит благодаря какому-то изначальному толчку, и в дальнейшем должно затухать, замедляться благодаря всемирному тяготению. И в последние несколько лет стало известно, что, в действительности, Вселенная расширяется не с замедлением, а с ускорением. Меняется вся картина Мира с обнаружением ускорения расширения, и притом это ускорение, несомненно, связано с вакуумом, и вакуум этот преобладает во Вселенной по плотности.
Ю.Е. Вот это самый важный момент. (Эта картинка на экране относится просто к расширению Вселенной, как это было видно по галактикам.)
А.Ч. Между прочим, здесь возникает такой замечательный парадокс. Вселенная расширяется с ускорением, расширяется так, что галактики разбегаются друг от друга со всё большими и большими скоростями, они уносятся друг от друга, ускоряясь, расстояние между ними возрастает, возрастает всё больше и больше, скорости возрастают. А Вселенная в целом, четырехмерное пространство-время, при этом становится всё ближе и ближе к статическому. Четырехмерное пространство-время определяется в этом случае только одним вакуумом, но вакуум устроен так, что его плотность и давление не меняются со временем вообще, они не меняются ни в пространстве, ни во времени. Вакуум – это абсолютная статическая среда. И если вакуум создаёт пространство-время, а сам он статичен, значит, и пространство-время должно быть статично. Вот представьте себе, что имеется четырехмерное пространство-время, в котором со всё возрастающими скоростями происходит космологическое расширение. Такова современная картина мира, и она стала возможна благодаря этим наблюдениям Сверхновых. Совершенно новый подход ко всему, совершенно новый взгляд на вещи. Вот некий парадокс, который, однако, в теории разрешается сравнительно легко. В действительности, в теории Фридмана уже имелся с самого начала вариант такого неограниченно быстрого и ускоряющегося расширения, в котором четырехмерное пространство-время в итоге оказывалось статическим.
Ю.Е. Вот это как раз, я думаю, порция сложных формулировок, которые так любят зрители.
А.Ч. Это удивительное обстоятельство.
А.Г. Это удивительное и совершенно непредставимое обстоятельство.
Ю.Е. Непредставимое, да. Но мало того, что Вселенная расширяется с ускорением, по нему можно измерить плотность энергии вакуума, и оказалось, что около 70-ти процентов массы, или, лучше сказать, плотности энергии Вселенной определяется именно этим самим вакуумом. Это новая, фактически, физическая сущность, хотя признаки её существования в экспериментах были, но плотность энергии удалось измерить только астрономам, только на основании обнаружения далёких Сверхновых, о которых тут говорилось. А также, кстати, в последнее время и по новым измерениям на спутниках. 70 процентов всего, что мы видим во Вселенной, это практически ещё не изученный вакуум. Но и этого ещё мало.