Вселенная по Ницше: современная космология и теория вечного возвращения

Выдержки из книги «Вселенная. Ведущие ученые исследуют происхождение, тайны и будущее космоса» (The Universe: Leading Scientists Explore the Origin, Mysteries, and Future of the Cosmos). Впервые эти идеи были изложены Стейнхардтом на одном из симпозиумов в 2002 году. Размышления немецкого философа о природе действительности могут иметь научную основу, о чем говорит известный физик.

Если вы попросите специалистов по космологии коротко ответить на вопрос о том, где мы находимся сейчас в их отрасли знаний, они скажут вам, что мы живем в особый период человеческой истории, когда благодаря значительным техническим достижениям у нас внезапно появилась возможность посмотреть на очень удаленную от нас по времени раннюю Вселенную, увидев то, что мы не могли видеть раньше. Например, мы можем получить моментальный снимок того, как выглядела Вселенная в младенчестве, когда формировались первые атомы. Мы можем получить моментальный снимок того, как выглядела Вселенная в отрочестве, когда формировались первые звезды и галактики. А теперь мы получаем подробное трехмерное изображение того, как наша Вселенная выглядит сегодня. Если сопоставить всю эту информацию, которую мы получаем впервые за всю историю человечества, у нас появится серия очень жестких ограничений любой модели космической эволюции.

Если вернуться к различным теориям эволюции космоса начала 1990-х годов, то мы увидим, что собранные за последнее десятилетие данные опровергли все эти теории, за исключением одной, которую сегодня считают общепринятой. Эта модель включает в себя сочетание из теории «большого взрыва» в том виде, в каком она разрабатывалась в 1920-е, 1930-е и 1940-е годы, инфляционной теории, предложенной в 1980-х годах Аланом Гутом (Alan Guth), и последних поправок, о которых я расскажу ниже. Данная общепринятая теория в мельчайших деталях соответствует нашим сегодняшним наблюдениям за Вселенной. По этой причине многие космологи делают вывод, что мы наконец открыли базовую космическую историю Вселенной.

Но у меня на сей счет иная точка зрения, которая сформировалась под воздействием двух событий. Первое — это недавние поправки, которые я упоминал выше. Хочу заявить, что это даже не поправки, а настоящее потрясение для наших представлений о времени и об истории космоса. Во-вторых, в прошлом году я участвовал в разработке альтернативной теории, которая переворачивает историю космического пространства вверх тормашками: все события, создавшие важные черты нашей Вселенной, происходили в ином порядке, по иным физическим законам, в другое время и других временных рамках. Тем не менее, эта модель способна воспроизвести все успешные прогнозы общепринятой картины — все в тех же мельчайших деталях.

Ключевое различие между этой и общепринятой теорией сводится к природе времени. В стандартной, или общепринятой модели время имеет начало, которое мы обычно называем «большим взрывом». Согласно этой модели, по непонятным для нас причинам Вселенная превратилась из ничего во что-то, наполнившись материей и энергией. И последние 15 миллиардов лет она расширяется и охлаждается. Согласно альтернативной модели, Вселенная бесконечна. Бесконечно и время, в том смысле, что оно всегда длилось в прошлом, и всегда будет длиться в будущем. И в некотором смысле пространство тоже бесконечно. В действительности три пространственных измерения остаются бесконечными на всем протяжении эволюции Вселенной.

Если говорить конкретнее, в данной модели предполагается, что эволюция во Вселенной циклична. То есть, Вселенная проходит эволюционные периоды — от раскаленного до холодного состояния, от плотного до рассеянного, от горячей радиации, до той структуры, которую мы наблюдаем сегодня, а затем до состояния пустоты. Потом начинается череда событий, в силу которых цикл происходит снова. Пустая Вселенная заряжается энергией, что приводит к новому периоду расширения и охлаждения. Процесс периодически повторяется и длится вечно. То, что мы наблюдаем сегодня, это просто очередной цикл.

Концепция цикличности Вселенной не нова. Люди рассматривали ее на всем протяжении задокументированной истории. У древних индусов, например, была детально разработанная и продуманная космологическая теория, основанная на идее цикличности Вселенной. Они полагали, что продолжительность каждого цикла равна 8,64 миллиарда лет. Это был очень точный прогноз, что поразительно, поскольку в то время не было ни квантовой механики, ни теории струн. Это не согласуется с той цифрой, которую намерен предложить я. А я считаю, что продолжительность цикла составляет не миллиарды, а триллионы лет.

Циклическая концепция — это периодически повторяющаяся тема в западной научной мысли. Например, у Эдгара По и у Фридриха Ницше у каждого была циклическая модель Вселенной, а на заре релятивистской космологии идеей цикличности интересовались Альберт Эйнштейн, Александр Фридман, Жорж Леметр и Ричард Толмен. Я думаю, вполне понятно, почему идея цикличности казалась такой привлекательной многим ученым. Если есть Вселенная с началом, то тебе нужно объяснить, почему она началась и при каких условиях. А если Вселенная циклична, то есть, вечна, ее начало объяснять не нужно.

При попытках привнести идеи цикличности в современную космологию в 1920-е и 1930-е годы ученые обнаружили, что существуют различные проблемы технического характера. В то время господствовала идея о том, что есть цикл, в котором наша трехмерная Вселенная проходит периоды расширения, начиная с «большого взрыва», а затем возвращается к сокращению и «большому сжатию». Затем Вселенная взрывается, и снова начинается расширение. Но проблема в том, что всякий раз, когда Вселенная сокращается до стадии «большого сжатия», ее плотность и температура возрастают до бесконечного значения, и поэтому непонятно, применимы ли в этом случае обычные законы физики.

Во-вторых, каждый цикл расширения и сжатия порождает энтропию путем естественных термодинамических процессов, и эта энтропия накладывается на энтропию от прежних циклов. Таким образом, в начале нового цикла значение плотности энтропии выше, чем в предыдущем цикле. Оказывается, длительность цикла изменяется в зависимости от плотности энтропии. Если энтропия возрастает, продолжительность цикла также увеличивается. Итак, продвигаясь вперед во времени, циклы становятся все продолжительнее — каждый новый длиннее предыдущего. Проблема в том, что при экстраполяции назад во времени циклы становятся короче до тех пор, пока после некоего конечного промежутка времени они не достигнут нулевого значения по продолжительности. Проблема начала не решена; ее просто отодвинули назад на некое конечное количество циклов. Если мы намерены снова представить идею об истинной цикличности Вселенной, нам придется преодолеть эти две проблемы. В циклической модели, которую я изложу, новые идеи используются как раз в этих целях.

Чтобы понять, почему альтернативную модель стоит отстаивать, важно получить более подробное представление о том, как выглядит общепринятая картина. Однако я хочу засвидетельствовать, что в целом общепринятая модель не такая уж и простая. В частности, последние наблюдения заставили нас внести в нее поправки, сделав ее более сложной. Поэтому позвольте мне начать с краткого обзора этой общепринятой модели.

Эта теория начинается с «большого взрыва». У Вселенной есть начало. Это стандартное предположение, которое люди выдвигают последние пятьдесят лет. Но в настоящее время мы не можем это доказать никакими фундаментальными законами физики. Далее, приходится исходить из того, что Вселенная началась с плотности энергии ниже критического значения. Иначе Вселенная прекратила бы расширяться и сокращаться до следующего этапа эволюции, называемого инфляционной эпохой. Кроме того, чтобы достичь инфляционной стадии, должна существовать некая энергия, приводящая в действие инфляцию. Обычно исходят из того, что здесь действует инфляционное поле. Приходится предполагать, что в тех участках Вселенной, которые появились при докритическом значении плотности, значительная часть энергии хранится в виде инфляционной энергии, чтобы она могла со временем обогнать Вселенную и начать период ускоренного расширения. Все это весьма разумные предположения, и тем не менее, это лишь предположения и не более того. Важно принимать во внимание эти предположения и их составляющие, потому что они помогают сравнивать общепринятую модель и альтернативную, которая ее оспаривает.

Если предположить, что эти условия соблюдены, получается, что инфляционная энергия через несколько мгновений догоняет материю и излучение. Начинается инфляционная эпоха, и расширение Вселенной стремительно и яростно ускоряется. Инфляция творит чудеса: она делает Вселенную однородной, она делает Вселенную плоской, и она оставляет после себя некоторые неоднородности, которые, как можно предположить, станут семенами для взращивания галактик. Теперь Вселенная готова вступить в следующий этап эволюции при наличии нужных условий. Согласно инфляционной модели, инфляционная энергия превращается в горячий газ, состоящий из материи и радиации. Примерно через секунду образуется первое легкое ядро. Спустя несколько десятков тысяч лет медленно движущаяся материя уже преобладает во Вселенной. На этих этапах формируются первые атомы, Вселенная становится прозрачной, и там начинает формироваться структура — первые звезды и галактики. До этого момента история довольно проста.

Но недавно было сделано открытие, говорящее о том, что мы вступили в новый этап эволюции Вселенной. После того, как сформировались звезды и галактики, произошло нечто странное, что снова вызвало ускоренное расширение Вселенной. Те 15 миллиардов лет, когда во Вселенной преобладали материя и радиация, и формировалась структура, ее расширение замедлялось, потому что материя и радиация внутри нее являются самопритягивающими и сопротивляются расширению Вселенной. До недавнего времени предполагалось, что материя будет и дальше преобладающей формой энергии во Вселенной, и что это замедление будет продолжаться вечно.

Но в ходе последних наблюдений мы обнаружили, что расширение Вселенной ускоряется. Это означает, что большая часть энергии Вселенной это и не материя, и не радиация. Скорее, некая иная форма энергии обогнала материю и радиацию. За неимением более подходящего термина эту новую форму энергии называют темной энергией. Темная энергия, в отличие от знакомых нам материи и радиации, является самоотталкивающей. Поэтому она вызывает ускорение, а не замедление Вселенной. В классической теории тяготения Ньютона вся масса обладает силой притяжения, однако Эйнштейн в своей теории допускает возможность таких форм энергии, которые имеют силу отталкивания.

Не думаю, что физическое и космологическое сообщество, да и общество в целом в полной мере осознали последствия данного открытия. Это революция в великом историческом смысле — типа открытия Коперника. На самом деле, если задуматься о Копернике, у которого мы взяли слово «революция», его значимость состоит в том, что этот человек изменил наши представления о пространстве и о нашем местонахождении во Вселенной. Показав, что Земля вращается вокруг Солнца, он положил начало возникновению целой череды идей, которые привели нас к пониманию того, что мы живем не в каком-то особенном месте во Вселенной, что в месте нашего нахождения нет ничего выдающегося. А теперь мы обнаружили нечто очень странное в природе времени: что мы живем не в каком-то особенном месте, а что мы живем в особенное время, когда начался переход от замедления к ускорению. Если раньше материя и радиация преобладали во Вселенной, то теперь они быстро становятся малозначимыми компонентами. Если раньше структура формировалась во все возрастающем масштабе, то теперь из-за такого ускоренного расширения формирование структуры останавливается. Мы оказались в середине перехода между этими двумя этапами эволюции. Подобно тому, как предположение Коперника о том, что Земля не является центром Вселенной, вызвало появление цепочки идей, изменивших все наши представления о структуре солнечной системы, а со временем и о структуре Вселенной, не следует чрезмерно удивляться тому, что новое открытие космического ускорения может привести к изменению всех наших взглядов на историю космоса. И это важный мотив, чтобы подумать о нашем альтернативном предположении.

Имея в виду все эти мысли об общепринятой модели, давайте вернемся к теории цикличности. Поскольку речь идет о циклах, я могу начать обсуждение цикла с любой точки, которую выберу. Чтобы сделать дискуссию параллельной, я начну с той точки, которая аналогична «большому взрыву». Я назову ее просто «взрывом» или «хлопком». Это такая точка цикла, где Вселенная достигает самых высоких температур и плотности. Но при таком сценарии, в отличие от модели «большого взрыва», температура и плотность не колеблются. Есть максимальная, конечная температура. Это очень высокая температура, равная примерно 1020 градусам Кельвина. При такой температуре атомы и ядра разлагаются на свои элементарные составные части. Но она не бесконечна. На самом деле, она гораздо ниже так называемой энергетической шкалы Планка, где преобладают эффекты квантовой гравитации. Теория начинается со взрыва, а затем напрямую переходит к этапу, где преобладает излучение. В таком сценарии у нас нет той инфляции, которая присутствует в стандартном сценарии. Но нам все равно нужно объяснить, почему Вселенная плоская, почему она однородная, и откуда приходят колебания, ведущие к формированию галактик. Ранним этапом инфляции это не объясняется. Это объясняется другим этапом в циклической Вселенной, к которому я подойду позже.

В этой новой модели мы подходим непосредственно ко Вселенной, где преобладает радиация, и где в избытке имеются ядра. Затем мы идем напрямую ко Вселенной, где преобладает материя и где формируются атомы, галактики и структура более крупного масштаба. После этого мы переходим к этапу Вселенной, на котором преобладает темная энергия. В стандартном случае темная энергия появляется неожиданно, поскольку ее нужно ввести в теорию, дабы она соответствовала тому, что мы наблюдаем. В циклической модели темная энергия выходит в центр сцены как ключевая составляющая, приводящая в движение Вселенную. Она действительно приводит Вселенную к циклической эволюции. Первое, что делает темная энергия, когда начинает преобладать во Вселенной, это то, что мы наблюдаем сегодня. Она вызывает ускоренное расширение Вселенной. Почему это важно? Хотя темпы этого ускорения на сто порядков меньше, чем ускорение при инфляции, если дать Вселенной достаточно времени, она сделает то же самое, что и инфляция. Со временем она разрежает материю и излучение во Вселенной, делая их все более и более однородными и равнонаправленными. Делает она это просто идеально, доводя ее по сути дела до состояния вакуума.

Сет Ллойд (Seth Lloyd) сказал, что внутри горизонта событий имеется 1080 или 1090 бит, но если посмотреть на Вселенную через триллион лет, мы в среднем не найдем внутри горизонта ни одного бита или найдем меньше одного бита. На самом деле, считая эти биты, важно понимать, что сейчас, когда Вселенная ускоряется, наш компьютер теряет биты внутри нашего горизонта. И мы наблюдаем это.

Вселенная становится не только однородной и равнонаправленной, она также становится плоской. Если бы у нее были какие-то отклонения или изогнутости, либо если бы в нашем представлении Вселенная расширялась длительный период времени, пространство стало бы крайне плоским. Конечно, если бы это продолжалось вечно, тут бы и истории конец. Но в данном сценарии, как и в инфляционном, темная энергия существует ограниченное время и вызывает серию событий, которые постепенно приводят к трансформации энергии из силы притяжения в новую энергию и излучение, а те в свою очередь начинают новый период расширения Вселенной. С точки зрения местного наблюдателя, все выглядит так, будто Вселенная проходит точные циклы. То есть, Вселенная как бы опустошается в каждом цикле, и создается новая материя и радиация, что в свою очередь ведет к новому периоду расширения. В этом смысле Вселенная циклична. Но если бы мы были наблюдателями глобального масштаба и могли видеть всю Вселенную, мы бы обнаружили, что в этой истории наши три измерения являются вечно бесконечными. Происходит следующее. На каждом этапе, когда создается материя и радиация, они разрежаются. Они есть, где-то там, но они становятся все разреженнее. С точки зрения местного наблюдателя, вселенная кажется цикличной, но в глобальном масштабе вселенная проходит устойчивую и ровную эволюцию. Это отчетливо выраженная эпоха, в которой от цикла к циклу со временем и по всем трем нашим измерениям нарастает энтропия.

Как именно это происходит, можно описать разными способами. Я предпочитаю представить весьма симпатичную геометрическую картину, побудительным мотивом для которой послужила теория суперструн. Мы пользуемся лишь несколькими базовыми элементами из теории суперструн, а поэтому в ней не нужно глубоко разбираться, чтобы понять, о чем я веду речь. Надо лишь понять, что те странные вещи, с которыми я вас познакомлю, я представляю не впервые. Они уже есть в теории суперструн, и ждут того, чтобы их использовали для полезного дела.

Одна из идей теории суперструн состоит в том, что дополнительных измерений не существует. Это очень важный элемент в данной теории, который необходим, чтобы она была непротиворечивой и логичной в математическом плане. Согласно одному из положений этой теории, во Вселенной в целом существует 11 измерений. Шесть из них скручены в маленький шар, а поэтому в интересах моего рассказа я сделаю вид, будто их вообще нет. Но есть три пространственных измерения, одно временное измерение и одно дополнительное измерение, которое я хочу рассмотреть. В такой картине знакомые нам три измерения, в которых мы перемещаемся, пролегают вдоль гиперповерхности, или мембраны. Эта мембрана является границей дополнительного измерения. С другой стороны тоже есть граница, или мембрана. Между ними находится дополнительное измерение, которое, если хотите, существует с определенными интервалами. Это как сэндвич. Мы на одном его конце, а в промежутке находится так называемый суммарный объем пространства. Данные поверхности называют орбиобразием, или бранами (второе слово — от «мембраны»). Браны обладают физическими свойствами. У них есть энергия, есть кинетический момент, и когда мы возбуждаем их, на одной из бран можно создавать такие вещи как кварки и электроны. Мы состоим из кварков и электронов, находясь на одной из таких бран. А поскольку кварки и лептоны могут перемещаться только вдоль бран, наши движения ограничены, и мы видим только три измерения нашей браны. Мы не можем непосредственно видеть суммарный объем пространства или материю на другой бране.

В циклической Вселенной эти две мембраны сталкиваются с регулярным интервалом в триллионы лет. В результате возникают самые разные возмущения — частицы и излучение. От столкновения браны нагреваются, а затем снова расходятся. Они притягиваются друг к другу посредством силы, действующей подобно пружине. По этой причине браны сходятся через регулярные промежутки времени. Можно описать это и в более полном виде. Происходит следующее. Вселенная проходит через этапы движения двух типов. Когда в ней есть материя и излучение, или когда браны находятся достаточно далеко друг от друга, главное движение это вытягивание бран либо, соответственно, наше трехмерное расширение. В этот период браны находятся друг от друга на более или менее постоянном расстоянии. Например, вот что происходило в последние 15 миллиардов лет. На этих этапах наши три измерения растягивались как обычно. На микроскопическом удалении находилась другая расширяющаяся брана. Но поскольку мы не видим, не чувствуем и не осязаем через это расстояние, мы не можем обнаружить ее непосредственно. Если там есть кусочек материи, мы можем почувствовать силу гравитации, но не увидим ни свет, ни что-то там еще, что он испускает — так как все, что он испускает, движется вдоль той браны. А мы видим только то, что движется вдоль нашей браны.

Далее, энергия, связанная с силой, находящейся между двумя этими бранами, начинает преобладать во Вселенной. С нашей точки обзора на одной из бран это действует в точности как наблюдаемая сегодня темная материя. Она заставляет браны ускорять свое растяжение до того момента, когда вся материя и излучения, созданные со времени последнего столкновения, распространяются, и браны превращаются по сути дела в гладкие, плоские и пустые поверхности. Если хотите, их можно представить в следующем виде: до указанного момента они были сморщенными, наполненными материей, а затем за триллион лет растянулись на фантастическое расстояние. Такое расширение вызывает разрежение массы и энергии на бране и разглаживание морщин и складок. По прошествии триллиона лет браны становятся гладкими, плоскими, параллельными и пустыми.

Затем сила между двумя этими бранами медленно сводит их вместе. По мере сближения бран эта сила увеличивается, и браны начинают устремляться друг к другу быстрее. Когда они сталкиваются, происходит мощный удар — достаточно мощный для того, чтобы создать высокую плотность материи и излучения с очень высокой, хотя и конечной температурой. Две браны разлетаются в стороны примерно туда же, где они были, а затем новая материя и радиация посредством притяжения заставляют браны начать новый период растяжения.

Из этой картины становится ясно, что Вселенная проходит через периоды расширения и весьма необычного сокращения. Там, где сходятся две браны, происходит не сокращение наших измерений, а сокращение дополнительного измерения. До сокращения вся материя и радиация распространяются, но в отличие от старых циклических моделей 1920-х и 1930-х годов, они не сходятся вместе во время сокращения, потому что три наших измерения, то есть браны, остаются в растянутом состоянии. Сокращается только дополнительное измерение. И этот процесс повторяется цикл за циклом.

Если сравнить циклическую модель и общепринятую картину, то получается, что две функции инфляции, а именно, сплющивание Вселенной и достижение ею однородного состояния, завершаются ко времени ускоренного расширения, которое у нас только что началось. Конечно, я имею в виду аналогичное расширение, произошедшее один цикл тому назад, до последнего взрыва. Третья функция инфляции — производство колебаний в плотной среде — осуществляется, когда две браны сходятся. По мере их сближения квантовые колебания начинают вызывать сморщивание бран. А поскольку они смяты и имеют складки, столкновение не везде происходит одновременно. Скорее, где-то оно случается раньше, а где-то позднее. Это значит, что некоторые области разогреваются до конечной температуры и начинают охлаждаться немного раньше других. Когда браны снова расходятся, температура во Вселенной не совсем однородна. Там имеются пространственные вариации, оставшиеся от квантовых складок.

Что примечательно, хотя эти физические процессы очень сильно различаются, как и временные рамки (все происходит на протяжении миллиардов лет, а не за 10-30 секунд), оказывается, спектр колебаний, который мы получаем при рассеивании энергии и температуры, практически такой же, как и при инфляции. Следовательно, циклическая модель вполне согласуется со всеми значениями распределения температуры и массы во Вселенной, которые мы имеем сегодня.

Поскольку физические процессы в этих двух моделях абсолютно разные, должно быть важное отличие в том, что мы могли бы наблюдать, соответствуй та или иная модель действительности — хотя этот эффект пока не раскрыт. При возникновении колебаний в инфляционной модели они возникают не только в энергии и температуре. Они также возникают в пространстве-времени, и это так называемые гравитационные волны. Это та черта, которую мы надеемся отыскать в ходе экспериментов в предстоящие десятилетия в качестве проверки общепринятой модели. В нашей модели таких гравитационных волн нет. Существенное различие состоит в том, что инфляционные колебания создаются в ходе сверхбыстрого и бурного процесса, который достаточно мощен, чтобы создавать гравитационные волны. А колебания в циклической модели возникают в результате чрезвычайно медленного и спокойного процесса, который слишком слаб, чтобы порождать гравитационные волны. Это пример радикальных отличий одной модели от другой на уровне экспериментального прогноза. Просто в настоящее время это трудно наблюдать.

В данный момент чрезвычайно приятно то, что у нас появляются две парадигмы. С одной стороны, они кардинально отличаются друг от друга в том плане, что могут поведать нам о природе времени, об истории нашего космоса, о последовательности событий и о временных рамках, в которых эти события происходят. С другой стороны, эти парадигмы поразительно похожи в том смысле, что они предсказывают сегодня о Вселенной. В конечном итоге, правильность той или иной теории будет подтверждена в сочетании наблюдений (например, это поиск гравитационных волн в космическом пространстве) и теории. Дело в том, что ключевой аспект этого сценария влечет за собой предположения о происходящем при столкновении между бранами, а это можно будет проверить или опровергнуть в теории суперструн. Между тем, в предстоящие годы все мы будем увлеченно строить предположения о последствиях каждой из этих идей и о том, как наилучшим способом проводить различия между ними.

Пол Стейнхардт — профессор Принстонского университета, специалист по теоретической физике, соавтор (вместе с Нилом Туроком (Neil Turok)) книги «Бесконечная Вселенная. За пределами Большого взрыва» (Endless Universe: Beyond the Big Bang).