Непрямое наблюдение реальности

В спектре профессиональных физиков, в том числе лауреатов Нобелевской премии, два выражен­ных полюса. На одном конце те, кто занимается практически важными вещами. Например, Чарльз Таунс в 1964 году получил Нобелевскую премию за исследования, которые привели к изобретению лазера. На противоположном конце спектра те, кого интересуют только самые общие и фундаментальные законы природы. К этим вторым совершенно определенно принадлежит и американский физик Стивен Вайнберг. Ему вместе с двумя другими выдающимися физиками – Шелдоном Глэшоу и Абдусом Саламом – в 1979 году присудили Нобелевскую премию за объединение в одной теории двух фундаментальных сил природы – электромагнитного взаимодействия, которое определяет, например, то, как взаимодействуют два электрически заряженных шарика, и слабого взаимодействия, которое определяет процессы в мире элементарных частиц. В профессиональной среде его называют электрослабым взаимодействием.
Создать единую теорию, которая описывала бы все известные в природе силы, всегда было мечтой физиков-теоретиков. Свою жизнь этому посвятил и такой гигант мысли, как Альберт Эйнштейн, – к сожалению, безуспешно. Существенный вклад на пути к общей теории всех областей физики внес также Стивен Вайнберг. Более того, Вайнберг – один из немногих физиков и философов науки, которые считают, что возможна теория всего, которая стала бы окончательной. Тем самым, если можно так сказать, мы поймем все об окружающем нас материальном мире, и естественной науке как фундаментальной науке придет конец. Такие взгляды Вайнберга основаны на очень простом предположении: каждая следующая теория, будучи все более всеобщей, в определенном смысле становится более простой и для объяснения природы использует все меньше понятий и законов. Это означает, что логически наступит момент, когда мы достигнем предела, где все будет настолько просто, что дальнейшее редуцирование будет невозможно.
Здесь надо оговориться, что есть и контраргументы относительно возможности такой окончательной теории. Например, изучая природу, мы открываем все новые уровни, и они каждый раз появляются неожиданно и требуют все новых и более глубоких теорий. Когда-то мы думали, что в основе всего просто вещество – субстанция. Потом мы открыли, что оно состоит из молекул. Те, в свою очередь, из атомов. Атомы – из протонов, нейтронов и электронов. Протоны и нейтроны из еще меньших частиц – кварков. Остается только гадать, что будет дальше.
Помимо этого, Вайнберг – яркое доказательство того, насколько большое значение в жизни человека играет образование. Человеку, который ставит перед собой академические задачи, особенно нужно без промедления получить отличное образование. Стивен Вайнберг – коренной нью­йоркец. Он ходил в очень особенную школу – специализированную школу естественных наук в Бронксе. Между прочим, это государственная школа, которая переворачивает широко распространенное мнение о том, что в Соединенных Штатах хорошее образование дают только частные школы. О том, что эта школа действительно выдающаяся, свидетельствует хотя бы тот факт, что в один год с Вайнбергом ее окончил Шелдон Глэшоу.
Дальнейшая карьера Стивена Вайнберга была связана с университетами, входящих в десятку лучших университетов мира. Он работал и в Калифорнийском университете в Беркли, и в Масса­чусетском технологическом институте, и в Гарварде. Сейчас Стивен Вайнберг работает в Техасском университете в Остине.
И конечно, почти ни одна из официальных и неофициальных биографий Вайнберга не забывает упомянуть, что он атеист. Это его жизненная позиция, и, зная университетскую среду США, могу заверить, что она не особенно соответствует общему настроению. Одним словом, он осмеливается отличаться от остальных.

Марцис Аузиньш

Появились ли какие-нибудь новости о первых трех минутах существования Вселенной?

Да, это вопрос... Смотря что считать новостями. За последние годы мы много узнали, наблюдая за микроволновой радиацией, оставшейся с начала Вселенной. При помощи спутников нам удалось измерить малейшие колебания в микроволновом радиационном фоне. Говоря «мы», я имею в виду не себя, а астрономов, которые этим занимаются. Им вроде бы удалось подтвердить инфляционную модель, которая была разработана 30 лет назад. Но сейчас это не просто качественная теория, она стала довольно точной: мы можем посчитать, как расширялась Вселенная еще до Большого взрыва, до того, как ее энергия оказалась заражена радиацией и материей. Это невероятно захватывающе. Мы до сих пор не знаем ответы на большие вопросы – например, есть ли у Вселенной определенное начало во времени. Все эти наблюдения не проливают света на эту загадку, однако существенно приближают нас к ответу на вопрос, откуда взялась структура Вселенной. Когда мы смотрим на небо, мы видим, что материя распределена неравномерно, она спрессована в звезды, а звезды собраны в галактики, а галактики образуют скопления. Теперь мы гораздо лучше понимаем, откуда берется эта структура – разумеется, из уплотнения материи под действием гравитационного притяжения. Формирование галактик на ранних этапах происходит из малейших флуктуаций в ходе инфляционного расширения Все­-ленной – флуктуаций в масштабе один к ста тысячам. То есть плотность Вселенной варьируется от места к месту в сто тысяч раз.

Мой вопрос в первую очередь касался вашей книги о первых трех минутах, которая вышла около 35 лет назад. Поменяли бы вы что-нибудь сейчас или только добавили новые данные?

В первом издании книги я почти не говорил о возможности существования темной материи, то есть о том, что Вселенная расширяется под действием гравитационного поля, что это продукт не только энергии материи и излучения во Вселенной, но и энергии космоса как такового. Я знал о такой возможности и, кажется, даже обсуждал ее – точно не помню, – но если и так, то весьма приблизительно. Теперь мы знаем, что расширение Вселенной зависит от темной энергии. То есть энергия Вселенной, порождающая гравитационное поле, которое управляет тем, как она расширяется, на три четверти состоит из темной энергии; и это энергия в самом космосе, а не в материальных частицах. Экспериментально это было доказано в 1998 году, если я правильно помню, и несколько лет назад за это открытие была присуждена Нобелевская премия. А до 1998 года мы считали это лишь одной из возможностей.

Почему эта энергия называется «темной»?

Потому что она не производит света. Мы знаем о ней только по воздействию, которое она оказывает, по гравитационному эффекту. Видимых проявлений у нее нет. Мы вычленяем темную материю – это некие частицы, про которые мы еще ничего не знаем, но все равно это нормальная материя, то есть движущиеся частицы, которые собираются в кластеры. Мы надеемся, что через несколько десятилетий мы узнаем, что это за частицы. Эти темные частицы не несут электрического заряда, а значит, не взаимодействуют с радиацией и сами ее не производят. Они отличаются от любой видимой нами материи, от водорода и гелия, которым светят звезды. Темная энергия – это другое. Она не связана ни с какими частицами, это сам космос. Темная она в том же смысле, то есть не производит никакого видимого или любого другого света. Мы знаем о ней только благодаря ее гравитационному воздействию.

Один из самых загадочных для меня моментов в описаниях первых этапов существования Вселенной – это то, что там используется понятие пространства. Возможно, я неправиль­но его понимаю, однако вроде бы полу­чается, что бесконечно плотная син­-гулярность, или как ее правильно назвать, находится в каком-то пространстве. И мне это кажется крайне странным.

Согласно инфляционной модели, когда Вселенная начала расширяться, она была крайне горячей и плотной материей – так же считала и прежняя теория… Все это до сих пор считается истинным, однако еще раньше существовал период, когда Вселенная была по сути пустой, но по мере расширения заполнялась темной энергией, причем расширение шло по экспоненте. В данном случае мы не знаем, как проследить историю Вселенной до самых истоков. Поэтому вопрос, который вас беспокоит, на самом деле так не стоит. А кроме того, даже если согласиться с тем, что говорят многие космологи – что Вселенная началась с момента бесконечной температуры и плотности, – то эти температура и плотность были постоянны в каждой точке пространства. Поэтому даже бесконечно плотная Вселенная могла быть и бесконечно большой! Мы до сих пор не знаем, являются ли размеры Вселенной конечными или нет. Но в любом случае нет никаких данных о том, что материя и энергия – пусть даже темная материя и темная энергия, это не важно – сконцентрированы в одной точке. Все наши наблюдения показывают, что чем бы ни была заполнена Вселенная, она заполнена довольно равномерно – хоть в конечном, хоть в бесконечном пространстве. Не конечное пространство наподобие мячика, ограниченного поверхностью, а конечное пространство наподобие поверхности мячика, то есть безграничной сферической поверхности. Только эта поверхность не двухмерна, как у трехмерного мячика, а трехмерна, как поверхность четырехмерного мячика. Математически такое пространство описано еще в XIX веке. Я не знаю, почему людям это непонятно – ведь вполне возможно, что наше трехмерное пространство, в котором мы живем, замыкается само на себя, как поверхность четырехмерного мячика.

Мне не нравится представление, что пространство – это некое вместилище, в котором происходило расширение Вселенной или откуда она по­явилась. Это-то и кажется странным. Поэтому спрошу: занимались ли когда-нибудь физики вопросом про­-исхождения не Вселенной, а пространства? Или считается, что пространство вечно?

Нет. Я бы сказал, что согласно теориям, которые считают, что Вселен­ная началась в определенный момент в прошлом, тогда же началось и пространство. Это похоже на то, что говорил о времени Августин. Он, разумеется, верил, что Вселенная создана в определенный момент времени, и говорил, что нельзя спрашивать, что ему предшествовало, потому что времени еще не было. Как и пространства.