Всё из ничего: Как возникла Вселенная

Всё из ничeгo: Кaк вoзниклa Всeлeннaя

В издaтeльствe «Aльпинa нoн-фикшн» в aпрeлe выxoдит книгa «Всё из ничeгo: Кaк вoзниклa Всeлeннaя». Ee aвтoр Лoурeнс Мaксвeлл Крaусс — спeциaлист в oблaсти тeoрeтичeскoй физики и кoсмoлoгии, прoфeссoр oтдeлeния зeмныx и кoсмичeскиx исслeдoвaний Унивeрситeтa штaтa Aризoнa и пoчeтный дирeктoр прoeктa Origins, пoсвящeннoгo исслeдoвaниям фундaмeнтaльныx вoпрoсoв o стрoeнии и истoрии Всeлeннoй. Крaусс стaл лaурeaтoм мнoгиx прeстижныx прeмий, в тoм числe пeрвoй прeмии Фoндa грaвитaциoнныx исслeдoвaний, Прeмии Эндрю Гeмaнтa Aмeрикaнскoгo институтa физики, прeмии Джoзeфa Бaртoнa Aмeрикaнскoгo физичeскoгo oбщeствa и прeмии Ричaрдa Дoкинзa. Лoурeнс Крaусс стoрoнник углублeния связeй мeжду нaукoй и oбщeствoм, гoсудaрствeннoй пoлитики, oснoвaннoй нa дoстoвeрныx эмпиричeскиx дaнныx, нaучнoгo скeптицизмa и oбрaзoвaния, пoстрoeннoгo нa фундaмeнтaльнoй нaучнoй oснoвe. Oн извeстeн тaкжe кaк критик прoникнoвeния рeлигиoзныx вoззрeний в нaуку и oбрaзoвaниe. Eму принaдлeжaт бoлee 300 нaучныx публикaций и нeскoлькиx пoпулярныx книг. Нeкoтoрыe из eгo нaучнo-пoпулярныx рaбoт стaли бестселлерами, например, «Физика в сериале “Звездный путь”» (1995) и «Всё из ничего: Как возникла Вселенная» (2012). Основной темой книги стал рассказ о том, как физики поняли, что Вселенная могла возникнуть из ничего, включая в это понятие отсутствие самого пространства. Книга вошла в список бестселлеров The New York Times и вызвала активные философские дебаты, в том числе и резкий обмен высказываниями между Крауссом и специалистом по теоретической физике и философии науки Дэвидом Альбертом. Мы публикуем фрагмент из книги, где рассказывается об открытии виртуальных частиц.  
Первым, кому удалось применить теорию относительности к квантовой механике , был блестящий и немногословный британский физик-теоретик Поль Дирак, который к тому времени уже сыграл важнейшую роль в разработке квантовой механики как теории. Бор первым высказал предположение о существовании квантового мира, а Шрёдингер и Гейзенберг отточили математическую сторону теории. Этот мир отвергает все представления о природе вещей, которые диктует житейский опыт и здравый смысл. Сначала Бор предположил, что электроны в атомах вращаются по орбитам вокруг центрального ядра, как планеты вокруг Солнца, но показал, что наблюдаемые законы атомных спектров (частот излучения, испускаемого разными элементами) можно понять только в том случае, если электроны почему-то могут иметь стабильные орбиты только на определенном наборе «квантовых уровней» и не могут свободно падать по спирали к ядру. Макс Планк, когда пытался понять, как возникает специфический спектр излучения нагретого тела. «Правила квантования» Бора были сформулированы лишь для ответа на конкретный вопрос. Однако Шрёдингер и Гейзенберг независимо показали в 1920-е гг., что эти правила можно вывести из неких общих принципов, если предположить, что законы динамики электронов отличаются от законов динамики макроскопических тел вроде теннисных мячиков. Было показано, что результаты измерения свойств электронов могут дать лишь вероятностные оценки, причем различные комбинации их разных свойств невозможно измерить одновременно (отсюда принцип неопределенности Гейзенберга). Дирак показал, что математический аппарат, при помощи которого Гейзенберг описывал квантовые системы (за что и получил Нобелевскую премию в 1923 г.), можно вывести из тщательно выстроенной аналогии с давно известными законами динамики макроскопических объектов. Дирак предпочитал мыслить не картинками, а математическими формулами, и когда он решил попробовать согласовать квантовую механику с теорией относительности, то начал играть с разными видами уравнений. В их число входили сложные многокомпонентные математические сис темы, призванные учитывать, что у электронов есть так называемый спин, то есть они как бы вращаются наподобие маленьких волчков и имеют момент импульса, причем вращаться они могут вокруг любой оси и по часовой стрелке, и против. В 1929 г. Дирак наконец напал на золотую жилу. Однако тут была одна загвоздка. Дирак составил уравнение, которое должно было описывать поведение электронов при взаимодействии с электрическими и магнитными полями. Но оказалось, что его уравнение требует еще и существования новых частиц — точно таких же, как электроны, только с противоположным электрическим зарядом. В то время была известна только одна элементарная частица с зарядом, противоположным заряду электрона, — протон. Однако протоны совсем не похожи на электроны — хотя бы тем, что они почти в 2000 раз тяжелее! Дирак оказался в тупике. От отчаяния он даже заявил, что новые частицы на самом деле и есть протоны, просто при движении в пространстве протоны почему-то взаимодействуют так, словно они гораздо тяжелее. Другие ученые, в том числе Гейзенберг, вскоре показали, что это предположение не работает. Природа, однако, быстро пришла на выручку. Не прошло и двух лет с тех пор, как Дирак опубликовал свои результаты, и всего год, как он капитулировал и признал, что, если они верны, значит, должна существовать еще какая-то новая частица, как экспериментаторы, исследовавшие космические лучи, которые бомбардируют Землю, обнаружили следы присутствия новых частиц, идентичных электрону, но с противоположным зарядом. Эти частицы назвали позитронами. Правота Дирака была доказана, однако ему пришлось признать, что он не имел достаточной веры в собственную теорию: впоследствии он сказал, что его уравнение оказалось умнее его самого. Теперь мы называем позитрон античастицей электрона, поскольку открытие Дирака оказалось универсальным. Те же самые физические соображения, которые указывали на наличие античастицы для электрона, требуют, чтобы такой «двойник» был практически у каждой элементарной частицы в природе. У протонов, например, есть антипротоны. Античастицы есть даже у некоторых нейтральных частиц, например у нейтронов. При встрече частица с античастицей аннигилируют и превращаются в чистое излучение. Все это на первый взгляд выглядит как научная фантастика (и антивещество действительно играет важную роль в фантастическом сериале «Звездный путь»), однако в действительности античастицы постоянно создаются в больших ускорителях по всему миру. Поскольку античастицы в остальном обладают точно такими же свойствами, что и частицы, мир, состоящий из антивещества, вел бы себя точно так же, как и мир из обычного вещества, и в нем антивлюбленные точно так же целовались бы в антимашинах при антилуне. То, что мы живем во Вселенной, состоящей из обычного вещества, а не из антивещества или, скажем, обычного вещества и антивещества в равных пропорциях, — чистая случайность, которую, как мы полагаем, можно объяснить более глубинными факторами, о которых речь пойдет позднее. Я часто говорю студентам, что антивещество, конечно, диковинная штука, но диковинная в том же смысле, что и бельгийцы. На самом деле в бельгийцах нет ничего странного, просто с ними не очень часто встречаешься в обычной жизни. Существование античастиц превращает наблюдаемый мир в очень интересное место, а кроме того, делает намного более сложным пустое пространство. Интуитивное понимание того, почему теория относительности требует существования античастиц, первым пришло к легендарному физику Ричарду Фейнману. Заодно он получил наглядную иллюстрацию того, что пустое пространство на самом деле не такое уж и пустое. Фейнман понимал, что, согласно теории относительности, наблюдатели, движущиеся с разной скоростью, получат разные результаты при измерении величин вроде времени и расстояния. Например, время для объектов, движущихся очень быстро, замедлится. Если бы объекты каким-то образом могли разогнаться до сверхсветовой скорости, то казалось бы, что они движутся назад во времени, и это одна из причин, по которым скорость света считается предельно возможной скоростью во Вселенной. Однако главный принцип квантовой механики — принцип неопределенности Гейзенберга, который, как я уже говорил, гласит, что в определенных парах физических величин, например в паре «координаты и скорость», для конкретной физической системы в некий момент можно точно измерить только одну из этих величин. Или, скажем, если наблюдать какую-то систему лишь в течение конечного, ограниченного времени, нельзя точно определить ее полную энергию. Из всего этого следует, что для очень коротких промежутков времени — таких коротких, что скорость частиц невозможно измерить с высокой точностью, — квантовая механика допускает, что эти частицы будут вести себя так, словно движутся быстрее света! Но если они движутся быстрее света, то, в соответствии с теорией Эйнштейна, они должны вести себя так, словно движутся из будущего в прошлое! У Фейнмана хватило храбрости, чтобы серьезно рассмотреть эту безумную на первый взгляд возможность и изучить, что из нее следует. Он начертил следующую схему движения электрона, который периодически разгоняется до сверхсветовой скорости.  
Он понял, что, согласно теории относительности, другой наблюдатель мог бы сделать альтернативные измерения и у него получилось бы нечто вроде нижеприведенного графика, где электрон движется сначала вперед во времени, потом назад, а потом снова вперед.  
Однако отрицательный заряд, движущийся обратно Во времени, математически эквивалентен положительному заряду, который движется во времени вперед! В таком случае второй чертеж Фейнмана можно понимать следующим образом: одинокий электрон движется себе вперед, а потом в другой точке пространства из ничего возникает пара «позитрон-электрон», и позитрон встречается с первым электроном, после чего они аннигилируют. Остается одинокий электрон, который движется вперед.  
Если вас это не взволновало, задумайтесь вот над чем: ситуация начинается с одной частицы и заканчивается одной частицей, но где-то в промежутке некоторое время существует три движущиеся частицы.  
Где-то в середине процесса, пусть совсем недолго, но все же существует нечто, порожденное из ничего! В своей статье 1949 г. «Теория позитронов» Фейнман приводит прекрасную аналогию из реальности военного времени:
Здесь дело обстоит так же, как в том случае, когда летящий низко над дорогой пилот видит некоторое время вместо одной дороги три, хотя на самом деле имеется только двойной поворот одной и той же дороги1. Если время, за которое происходят эти «американские горки», достаточно мало и мы не можем измерить параметры частиц непосредственно, квантовая механика и теория относительности не просто допускают такое дикое положение дел — они его требуют. Частицы, появляющиеся и исчезающие за такие короткие промежутки времени, что их невозможно измерить, называются виртуальными. Разумеется, рассуждения о совершенно новом наборе частиц в пустом пространстве, которые еще и невозможно зарегистрировать, выглядят примерно как предположение, что на кончике иглы танцует великое множество ангелов. И идея эта была бы настолько же бесплодной, если бы эти частицы не порождали никаких других измеримых эффектов. Но, хотя прямо такие частицы пронаблюдать невозможно, оказывается, что их косвенное воздействие обеспечивает большинство характеристик Вселенной, которую мы сейчас наблюдаем. Мало того, действие этих частиц может быть рассчитано с большей точностью, чем получается при любом другом вычислении в науке! Рассмотрим, к примеру, атом водорода — систему, ради объяснения которой Бор разрабатывал квантовую теорию, а Шрёдингер выводил свое знаменитое уравнение. Красота квантовой механики состоит в том, что она могла объяснить возникновение специфических цветов света, который водород излучает при нагреве, на основании того, что электроны, вращающиеся вокруг протона , могут существовать только на дискретных энергетических уровнях, а когда они перескакивают с уровня на уровень, то поглощают или испускают лишь фиксированный набор световых частот. Почти, но не в точности. Когда спектр водорода исследовали более тщательно, оказалось, что он сложнее, чем считалось ранее, и между наблюдаемыми уровнями есть еще дополнительные мелкие расщепления, это называется тонкой структурой спектра. Эти расщепления были известны еще со времен Бора, существовало подозрение, что они имеют какое-то отношение к релятивистским эффектам, но это подозрение никто не мог подкрепить, пока ученые не получили в свое распоряжение полностью релятивистскую теорию. К счастью, уравнение Дирака дало более точные результаты, чем уравнение Шрёдингера, и позволило воспроизвести общую картину наблюдений, в том числе и тонкую структуру. Казалось, все в порядке, но вот в апреле 1947 г. американский физик-экспериментатор Уиллис Лэмб и его студент Роберт Резерфорд провели эксперимент, который в других обстоятельствах мог бы показаться на удивление ненужным и неоправданным. Исследователи поняли, что у них хватает технических средств, чтобы измерить структуру энергетических уровней атомов водорода с точностью до одной стомиллионной. Почему они вообще решили этим заняться? Дело в том, что, когда экспериментаторы находят новый метод нечто измерить с точностью, значительно превосходящей прежние возможности, для них это зачастую становится вполне достаточным стимулом приниматься за работу. В результате таких экспериментов удавалось открыть буквально новые миры — например, когда в 1667 г. голландский ученый Антонии Филипс ван Левенгук решил рассмотреть под микроскопом капельку якобы чистой воды и обнаружил, что в ней кишит жизнь. Однако в нашем случае у экспериментов была более практическая цель. До эксперимента Лэмба было невозможно достичь такой точности, чтобы подробно проверить предсказания Дирака. Уравнение Дирака позволяло предсказать общую структуру новых наблюдений, но главный вопрос, на который хотел ответить Лэмб: предсказывает ли оно все детали? Это был единственный способ проверить теорию. И когда Лэмб проделал свой эксперимент, получилось, что теория Дирака дает неверный ответ на уровне примерно 100 частей на миллиард, что значительно превышало чувствительность его установки. Казалось бы, погрешность минимальная, однако и предсказания самой простой интерпретации теории Дирака, и эксперимент не допускали двояких толкований — и при этом они не соответствовали друг другу. В течение нескольких следующих лет лучшие умы теоретической физики подключились к делу и попытались разрешить это несоответствие. Решение пришло лишь после долгого и упорного труда, и в сухом остатке оказалось, что уравнение Дирака дает исключительно точный ответ, но только если учесть воздействие виртуальных частиц. Это можно наглядно проиллюстрировать следующим образом. В учебниках по химии атомы водорода принято изображать примерно так: в серединке протон, вокруг по орбите вращается электрон, перескакивая на разные уровни:
 
Однако стоит нам допустить возможность того, что пары «электрон-позитрон » способны на миг возникать из ничего, а потом аннигилировать, то пройдет совсем немного времени и атом водорода будет выглядеть вот так:
 
Справа я изобразил подобную пару, которая потом аннигилирует. Виртуальный электрон , будучи отрицательно заряжен, предпочитает держаться поближе к протону, а позитрон — отстраняться. Так или иначе из рисунка ясно, что подлинное распределение зарядов в атоме водорода ни в какой момент времени нельзя описывать как просто протон и один-единственный электрон. Примечательно, что мы, физики, выяснили (после долгих и упорных трудов Фейнмана и его коллег), что можно использовать уравнение Дирака для вычисления влияния на спектр водорода всех возможных виртуальных частиц, способных мелькать в его окрестностях с какой угодно точностью. Рядом с ним меркнут все другие научные прогнозы. В астрономии самые свежие данные наблюдений реликтового излучения можно сравнить с теоретическими предсказаниями с точностью, скажем, в одну стотысячную, и это внушает уважение. Однако уравнение Дирака — с учетом предсказанного существования виртуальных частиц — позволяет рассчитывать параметры атома, которые будут совпадать с данными наблюдений на уровне одной миллиардной и даже лучше! Следовательно, виртуальные частицы существуют. 1 На русском языке статья опубликована в сборнике переводов «Новейшее развитие квантовой электродинамики». — М.: Иностранная литература, 1954. С. — Прим. ред. Краусс Л.Всё из ничего: Как возникла Вселенная / Пер. с англ. Бродоцкой, Н. Лисовой; Научный редактор И. Лисов; Редактор А. Никольский — М.: Альпина нон-фикшн, 2019. Источник: ПОЛИТ.РУ