Эксперимент Эйнштейна – Подольского – Розена

Самые важные мысленные эксперименты Эйнштейна, не утратившие своего значения и поныне, были предложены лишь в 1935 г., когда вместе со своими коллегами Борисом Подольским и Натаном Розеном он опубликовал в журнале The Rhysical Review статью, содержащую наиболее убедительную и по сей день формулировку парадоксальной природы квантовой физики. По существу, эксперимент Эйнштейна – Подольского – Розена затрагивал старую проблему: может ли частица одновременно обладать определенным положением и определенным импульсом. Задача, которую поставили перед собой Эйнштейн и его коллеги, состояла в том, чтобы придумать схему мысленного эксперимента, позволяющего (по крайней мере в принципе) сколь угодно точно измерить координаты частицы и ее импульс.

К тому времени было общепризнано, что любая попытка непосредственно измерить положение и импульс частицы обречена на провал по простой причине: когда вы пытаетесь измерить положение частицы, само измерение вносит не поддающиеся контролю изменения в величину импульса частицы. В свою очередь измерение импульса аннулирует всю полученную ранее информацию о положении частицы. Измерение одного типа несовместимо с измерением другого типа и аннулирует его результат. И если Эйнштейн надеялся преуспеть в попытке одновременного измерения координат и импульсов, ему надлежало избрать более тонкую стратегию.

Если отвлечься от второстепенных деталей, то суть работы Эйнштейна, Подольского и Розена сводится к следующему. Пусть установлено, что невозможно непосредственно измерить в одно и то же время положение и импульс одной частицы; тогда возникает мысль взять вторую частицу – «сообщницу». Располагая двумя частицами, можно одновременно измерять большее число величин. Если бы нам удалось каким‑то образом заранее связать движение двух частиц, то измерения, выполненные одновременно над обеими частицами, позволили бы экспериментатору проникнуть сквозь завесу квантовой неопределенности, непреодолимую по утверждению Бора.

Использованный Эйнштейном и его коллегами принцип достаточно известен. При игре в бильярд, когда шар, по которому игрок ударяет кием, сталкивается с другим шаром, оба они разлетаются в разные стороны. Но их движения не произвольны, а жестко связаны друг с другом законом действия и противодействия – законом сохранения импульса. Измерив импульс одного шара, можно судить об импульсе другого (который может откатиться далеко в сторону), даже непосредственно не наблюдая за ним. Закон сохранения импульса справедлив и для квантовых частиц. Значит, необходимо лишь, чтобы две квантовые частицы, 1 и 2, столкнувшись между собой, провзаимодействовали и разлетелись на большое расстояние. В этот момент можно измерить импульс частицы 1. Зная его, можно, воспользовавшись законом сохранения импульса, точно вычислить импульс частицы 2, которая, собственно, нас и интересует. Измерение импульса частицы 1, разумеется, внесет неопределенность в ее положение, но это несущественно, так как не влияет на положение частицы 2 (а нас интересует именно она), поскольку та находится далеко; в принципе она могла бы располагаться на расстоянии нескольких световых лет. Если в один и тот же момент непосредственно измерить положение частицы 2, то ее положение и импульс станут известны одновременно. Иначе говоря, мы перехитрим принцип неопределенности!

Рассуждения Эйнштейна – Подольского – Розена основаны на двух допущениях, имеющих принципиальное значение. Во‑первых, предполагается, что измерение, проведенное в одном месте, не может мгновенно повлиять на частицу, находящуюся далеко от него. Такое допущение основано на том, что взаимодействие между системами ослабевает с расстоянием. Трудно представить, чтобы два электрона, разделенные расстоянием в несколько метров, а тем более световых лет, каким‑то неведомым образом влияли на положение и импульс друг друга. Эйнштейн отвергал подобную мысль, называя ее «призрачным действием на расстоянии».

Отвергая идею мгновенного дальнодействия, Эйнштейн исходил из своего убеждения, что никакой сигнал или воздействие не могут распространяться быстрее света. Это – ключевой момент теории относительности, и им не следовало пренебрегать. Кроме того, невозможность распространения сигналов со скоростью выше скорости света принципиально важна для общего определения прошлого и будущего во Вселенной. Преодоление светового барьера эквивалентно распространению сигналов назад во времени, а это чревато парадоксами.

Второе фундаментальное допущение, из которого исходил Эйнштейн со своими коллегами, было связано с признанием существования «объективной реальности». Они предполагали, что такие характеристики, как положение и импульс частицы, существуют объективно, даже если частица удалена и эти характеристики непосредственно не наблюдаемы. Именно в этом Эйнштейн расходился с Бором. По мнению Бора, просто нельзя приписывать частице такие характеристики, как положение или импульс, если нет возможности реально их наблюдать. Измерение, выполненное кем‑то еще («по доверенности») в счет не идет. Использование частицы‑«сообщницы» – просто надувательство.

На этом этапе Эйнштейн и Бор могли признать лишь несовпадение своих позиций. Необходим был такой вариант мысленного эксперимента, который позволил бы проверить, нарушается или нет принцип неопределенности на практике. В 60‑х годах Джон Белл из ЦЕРНа придумал, как это сделать. Он использовал два основных допущения Эйнштейна, Подольского и Розена (распространение сигналов со скоростью меньше скорости света и существование объективной реальности) для вывода наиболее общих соотношений между измерениями с частицей 1 и измерениями с частицей 2, причем измерениями не только положения и импульса, но и других характеристик, в частности ориентации спина. Белл обнаружил, что измерения некоторых типов позволяют различить позиции Эйнштейна и Бора, отдавая предпочтение одной из них. Иначе говоря, два упомянутых допущения позволяют сделать определенные экспериментальные предсказания, которые не подтвердились бы, будь справедлива квантовая механика в духе Бора с внутренне присущей ей неопределенностью. Таким образом, если бы удалось выполнить соответствующий реальный эксперимент, то тем самым осуществилась бы прямая проверка наличия квантовой неопределенности.

Белл записал суть различия двух соперничающих теорий в форме математического соотношения, получившего название неравенства Белла. Проще говоря, если прав Эйнштейн, то результаты реального эксперимента должны подтвердить неравенство Белла. Если же прав Бор, то это неравенство не будет выполнено. Очередь теперь была за экспериментаторами.

Крушение наивного представления о реальности

Практическую проверку неравенства Белла не удалось осуществить в 60‑е гг. Основная проблема заключалась в недостаточной точности оборудования того времени. Чтобы с уверенностью исключить обмен сигналами между двумя частицами, находящимися на некотором расстоянии друг от друга, измерения следовало произвести за столь короткий интервал времени, за который сигналы, распространяющиеся со скоростью света (или медленнее), не успевали бы преодолеть расстояние между частицами. Это означает, что при расстоянии между частицами в несколько метров измерения должны занимать не более нескольких миллиардных долей секунды.

В 70‑е гг. ряд групп экспериментаторов поставили различимого рода эксперименты с двумя частицами, но ни одна из групп не достигла точности, при которой результаты можно было бы считать безупречными. Наконец, Ален Аспек в Париже, внеся ряд усовершенствований в методику, приступил в 1981 к серии экспериментов, в которых одновременно измерялись направления поляризации двух фотонов, испущенных одним и тем же атомом, движущихся в противоположные стороны. Кульминационным стал эксперимент, выполненный летом 1982, который впервые позволил дать окончательный ответ на интересовавший всех вопрос. Результаты не оставляли никакого сомнения: Эйнштейн был неправ. Квантовую неопределенность невозможно обойти. Она – неотъемлемая особенность квантового мира и не может быть сведена к чему‑то другому. Наивное представление о реальности частиц, обладающих четко определенными свойствами, в отсутствие наблюдений над ними не выдержало испытания. Аспек «забил последний гвоздь» в гроб физики, основанной на здравом смысле.

Небезынтересен способ, которым в эксперименте Аспека выявлено различие между квантовой и альтернативной «реалистической» теориями. Экспериментаторы задались целью выяснять, в какой мере результаты измерений, производимых над одним фотоном, коррелируют с результатами измерений над другим фотоном. Как следует из неравенства Белла, «реалистические» теории предсказывают существование верхнего предела, максимального уровня корреляции. В отличие от них квантовая механика предсказывает более высокую степень корреляции: между двумя частицами как бы существует некая сверхъестественная «телепатическая» связь. Результаты измерений показали, что корреляция превосходит максимум, предусмотренный неравенством Белла, и тем самым подтвердили наличие в квантовой физике внутренней неопределенности.

Эту ситуацию можно сравнить с тем, что происходит, когда два человека, сидя спиной друг к другу, одновременно бросают монеты. Если бросания совершенно случайны, то никакой корреляции между их результатами не будет. «Орлы» при бросаниях одной монеты будут выпадать с одинаковой частотой независимо от того, выпадет при бросании другой монеты «орел» или «решка». Предположим, однако, что бросания не вполне случайны и выпадение «орла» при бросании одной монеты чаще совпадает с выпадением «орла» при бросании другой; аналогичная картина наблюдается при выпадении «решки». Эксперименты демонстрируют наличие определенной положительной корреляции между результатами бросания двух монет. В эксперименте с двумя частицами поведение частиц случайно, но не независимо, так как обе они испущены одним и тем же атомом. Следовательно, некоторую корреляцию в поведении частиц можно ожидать заранее. Решающая проверка заключается в определении точной величины этой корреляции.

На первый взгляд может показаться, будто эксперимент Аспека позволяет достигать скорости распространения сигналов, превышающей скорость света. Применительно к бросанию монеты это означает следующее: если у меня «орел» чаще всего совпадает с вашим, то создается впечатление, будто я могу послать вам сигнал (даже если вы не видите моей монеты), пользуясь простым кодом, например обозначая «орел» точкой, а «решку» – тире. Если корреляция ниже 100%, то на сигнал накладывается «шум», но при достаточно большом числе повторений его можно передать без искажений.

Однако, как показывают дальнейшие размышления, подобная возможность передачи сигналов со скоростью выше скорости света иллюзорна. Исход каждого из моих бросаний монеты хотя и коррелирован с исходом ваших, но все же полностью непредсказуем, поскольку я не могу заранее заставить монету выпадать «орлом» или «решкой». Если при очередном бросании у меня выпадает «орел», то я знаю, что и у вас, вероятно, выпал «орел», но от этого мало толку, ибо я не могу управлять последовательностью точек и тире в передаваемом сигнале, и мой сигнал вырождается в сплошной (белый) шум.

Причуды квантовой реальности

Через несколько месяцев после того, как Аспек опубликовал результаты своего эксперимента, мне выпала честь составить для Би‑Би‑Си документальную радиопередачу о фундаментальных парадоксах квантовой физики. В число участников передачи входили сам Аспек, Джон Белл, Дэвид Бом, Джон Уилер, Джон Тейлор и Рудольф Пайерлс. Я спросил всех участников передачи, как они оценивают результаты эксперимента Аспека и не кажется ли им, что реальность, основанная на представлениях здравого смысла, теперь мертва. Разнообразие ответов было поразительным.

Один или два участника передачи вообще не выразили удивления по поводу эксперимента Аспека. Их вера в правильность общепринятой точки зрения, давно провозглашенной Бором, была столь сильна, что эксперимент Аспека они восприняли лишь как подтверждение (хотя и весьма желательное) того, что никогда не вызывало серьезных сомнений. Другие участники передачи не разделяли такой точки зрения. Их уверенность в существовании реальности, укладывающейся в рамки здравого смысла, – той объективной реальности, поиском которой занимался Эйнштейн, – осталась непоколебленной. По их мнению, следовало бы отказаться от предположения, что сигналы не могут распространяться со скоростью выше скорости света. В конечном счете должно существовать какое‑то «призрачное действие на расстоянии». Бором уже была разработана теория, включающая подобные «нелокальные» эффекты.

А как быть с парадоксами, связанными с распространением сигналов? Возможно, что‑то мешает нам управлять такими сигналами. В этих вопросах достичь полной ясности так и не удалось.

Хотя не все физики согласны с ниспровержением наивной реальности, взгляды Бора остаются общепринятыми, и результаты Аспека, несомненно, лишь подкрепили их. Эта точка зрения оказывает глубокое влияние на наши представления об окружающем нас физическом мире.

Во‑первых, описанная схема эксперимента с двумя частицами показывает, что свойства частицы, находящейся «там», неразрывно связаны со свойствами частицы, находящейся «здесь». Упрощающее предположение, что две частицы можно рассматривать как изолированные и независимые физические объекты только поэтому, что они движутся на большом расстоянии друг от друга, в корне ошибочно. Пока над частицами не производится отдельных измерений, они остаются частью единого целого. То, что мы понимаем под свойствами частиц, определяется экспериментальной установкой в целом, а она может занимать значительную область пространства. Кроме того, хотя в эксперименте Аспека «целостная» система двух частиц умышленно поставлена в контролируемые условия, частицы продолжают вести себя естественным образом – взаимодействовать и разлетаться. Следовательно, нелокальный характер квантовых систем является общим свойством природы, а не искусственной ситуацией, созданной в лаборатории.

Некоторые ученые подчеркивали, что квантовая физика рисует картину мира, в котором отдельные частицы материи не существуют сами по себе как первичные объекты. Статусом «реальности» обладает здесь только ансамбль частиц, рассматриваемый как единое целое, в том числе и частиц, из которых состоит измерительный прибор.

Совершенно иначе выглядит традиционное представление о реальности, основанное на классической ньютоновской физике. Согласно Ньютону, вещество состоит из частиц, которые рассматриваются, однако, просто как «строительные блоки» для более крупных конструкций. Такая картина, несомненно, привлекательна, поскольку позволяет наглядно представить мириады «элементарных частиц» наподобие твердых шариков, которые, сцепляясь друг с другом, образуют обычные тела, такие, как камень. Все свойства камня в этом случае можно приписать атомам или любым другим элементарным «строительным блокам» в зависимости от последних веяний моды. Камень построен из элементарных частиц, а те в свою очередь – простые части камня и ничего более. Немецкий физик Отто Фриш, открывший деление ядер, так описывает классическую картину мира:

Считается, что заведомо существует внешний мир, который состоитизчастиц, обладающих местоположением, размером, твердостью и т. д. Чуть больше сомнений возникает относительно того, имеют ли частицы цвет и запах; однако все они вполне «добропорядочны» и существуют независимо от того, наблюдаем мы их или нет.

Подобный взгляд на природу можно с полным основанием назвать наивным реализмом.

Квантовая физика ниспровергает столь упрощенную классическую взаимосвязь целого и его частей. Квантовый подход требует рассматривать частицы только в их взаимосвязи с целым. Поэтому было бы неверно считать элементарные частицы вещества материальными объектами, которые, соединяясь в ансамбли, образуют более крупные объекты. При более точном описании мир выступает как совокупность отношений.

С точки зрения «наивного реалиста» Вселенная представляет собой совокупность объектов. Для специалиста по квантовой физике это подвижная единая ткань, состоящая из всплесков энергии, и ни одна из частей этой «ткани» не существует независимо от целого, а это целое включает и наблюдателя.

Американский физик Г. П. Стэпп так сформулировал квантовую концепцию частицы:

Элементарная частица не есть нечто независимо существующее и не поддающееся анализу. По существу – это среда, распространяющаяся вовне на другие объекты.

Невольно на, память приходит строка из Уильяма Блейка: Вселенная в песчинке видней... Мы должны рассматривать вещество и энергию в рамках всеобъемлющего единого бытия. Еще одно следствие квантовой физики затрагивает роль наблюдателя – лица, реально выполняющего измерения. Квантовая неопределенность не переносится на производимые нами реальные наблюдения. Это означает, что в каком‑то звене цепи, соединяющей исследуемую квантовую систему с экспериментальной установкой, шкалами и измерительными приборами, нашими органами чувств, нашим мозгом и, наконец, нашим сознанием, должно происходить нечто такое, что рассеивает квантовую неопределенность. Правила квантовой физики вполне определенны в этом отношении. В отсутствие наблюдателя квантовая система каким‑то образом существует и развивается. После того как произведено наблюдение, поведение системы становится совершенно иным. Чем мною вызвано изменение в поведении системы, не ясно, но некоторые физики утверждают, что это изменение явно обусловлено вмешательством экспериментатора.

Этим слегка интригующим замечанием мы завершим наш рассказ о проблемах и парадоксах квантовой физики. И какие бы споры ни велись вокруг ее принципиальных основ, подавляющее большинство ученых все же сходится на том, что в своих приложениях квантовая теория работает блестяще. В частности, именно на ней основывается все описание мира элементарных частиц – того самого мира, в недрах которого погребена суперсила.

Ископаемые космоса

Происхождение элементов

Солнечным весенним днем 1822 г. молодой сельский врач Гидеон Мантелл навещал пациента неподалеку от своего родного города Льюиса в графстве Сассекс (Англия). В этой поездке доктора Мантелла сопровождала его жена Мэри Энн, которая, пока муж занимался больным, воспользовалась возможностью побродить по сельским улочкам. Проходя мимо груды камней, добытых из карьера для ремонта дороги, миссис Мантелл заметила странный блестящий предмет коричневого цвета. При ближайшем рассмотрении он оказался куском песчаника, содержащим несколько гигантских зубов. Миссис Мантелл показала находку своему мужу, геологу‑любителю, и он пришел в сильное возбуждение. Найденные зубы напоминали зубы ящерицы игуаны, и доктор Мантелл сделал смелое предположение, что они когда‑то принадлежали огромным травоядным рептилиям, населявшим Землю еще до появления млекопитающих. Он назвал эти существа игуанодонами. Так чета Мантеллов впервые обнаружила и правильно описала останки динозавров.

Случайное открытие миссис Мантелл пришлось на критическое для науки время. По традиции возраст Земли считался равным нескольким тысячам лет, что усиленно поддерживалось библейским мифом о сотворении мира. Однако к концу восемнадцатого столетия геология уже становилась настоящей наукой, и большинство геологов начали осознавать, что такие процессы, как образование осадочных пород или выветривание, имеют затяжной характер и совершаются за огромные промежутки времени. Еще в 1779 г. французский геолог Жорж Лун Леклерк оценил возраст Земли лишь в 75 тыс. лет. Однако к середине XIX в. этот отрезок времени «растянулся» до сотен миллионов (а возможно, и миллиардов) лет. В настоящее время методами радиоактивного датирования возраст Земли оценивается в 4,6 млрд лет.

Найденные Мантеллами останки вскоре были признаны останками вымерших существ, которые населяли Землю 65–200 млн лет назад. Достойна восхищения мысль, что, изучая современные горные породы, можно кое‑что узнать о мире в столь далекие времена; 200 млн лет – такой гигантский отрезок времени, что не поддается человеческому воображению. Дальнейшие более тщательные поиски привели к открытию останков живых организмов, возраст которых оценивается не менее чем в 3 млрд лет (а возможно, близко к 4 млрд).

У большинства людей представление об ископаемых, или реликтах, ассоциируется с застывшими отпечатками некогда существовавших живых организмов. Но имеется немало и других физических объектов, также несущих на себе отпечаток отдаленного прошлого. Например, «рябь» на поверхностях Луны, Марса, Меркурия – это след интенсивных метеоритных бомбардировок планет в период образования Солнечной системы. В определенном числе все физические объекты являются реликтами. Любой из действующих объектов имеет свою историю и несет информацию об обстоятельствах своего возникновения и развития. Задача, причем весьма нетривиальная, состоит в том, чтобы расшифровать эту информацию.

Для начала интересно выбрать наиболее знакомый нам объект – наш собственный организм и попытаться выяснить, чтоон может поведать о прошлом.

Прежде всего отметим, что наш организм содержит биологическую информацию, которая закодирована в генах – отдельных участках молекул ДНК, имеющих характерную структуру. Молекулы ДНК лежат в основе всей жизни на Земле. Поэтому можно рассматривать как реликт возникновения жизни на Земле около 4 млрд лет назад. Наша генетическая структура несет на себе бесчисленные отпечатки физических условий, в которых находились наши предки на протяжении многих веков и которые способствовали эволюции человека. Поэтому наш организм – это живой реликт, который в закодированном виде хранит в себе историю нашей планеты.

Биологическая информация определяется тем, какими способами атомы углерода, водорода, кислорода и других элементов, входящих в состав живых организмов, образуют сложные соединения. Ну а что можно сказать о самих атомах, из которых построен наш организм и весь окружающий нас мир?

Согласно современным космологическим представлениям, эти атомы существовали не всегда: они являются реликтами физических процессов, происходивших в глубинах Вселенной задолго образования Земли. Атомы – это ископаемые космоса. Как мы видели в гл. 2, первооснову космического вещества составляет водород, на который вместе с гелием приходится около 10% атомов, тогда как на каждый из остальных примерно 90 элементов – лишь малая доля. В нашем организме сконцентрированы многие элементы, которые в космосе встречаются в следовых количествах. Они зарождались в сложных процессах, происходящих внутри звезд.

На начальных стадиях существования Вселенной космическое вещество практически не содержало элементов среднего и тяжелого веса. Такие элементы – это «зола» ядерных «костров», пылающих в недрах звезд. Ядро звезд, подобных Солнцу, представляет собой термоядерный реактор, в котором горючим служат в основном ядра водорода (протоны). Огромная температура внутри Солнца заставляет протоны двигаться столь интенсивно, что, несмотря на мощное электростатическое отталкивание, они время от времени соударяются друг с другом. Если протоны при соударении сближаются до радиуса сильного ядерного взаимодействия, становится возможным их слияние (синтез). Ядро, состоящее из двух протонов, неустойчиво, но если один из протонов в результате слабого взаимодействия (процесса, обратного бета‑распаду) превратится в нейтрон, то образуется устойчивое ядро дейтерия; при этом высвобождается энергия, способствующая поддержанию высокой температуры в недрах звезды. Последующие реакции синтеза приводят к превращению дейтерия в гелий. В старых звездах преобладает синтез более тяжелых ядер из легких. В ходе следующих один за другим процессов синтеза сначала образуется углерод, а затем и все более сложные ядра.

По мере исчерпания запасов ядерного горючего звезды ее внутренняя структура все более напоминает луковицу (мы вновь прибегаем к этой аналогии); последовательные слои «луковицы» состоят из различных химических элементов, и это строение отражает различные стадии в длительном процессе ядерного синтеза. На протяжении своей «жизни» звезда постепенно превращается из почти чистой смеси первичного водорода и гелия в хранилище ядерной «золы», состоящей из тяжелых химических элементов. На заключительном этапе эволюции такая звезда может стать неустойчивой. Слабеющие ядерные реакции уже не в состоянии поддерживать внутри звезды такие значения температуры и давления, которые обеспечивали бы устойчивость огромной звездной массы. В результате гравитация, выйдя из‑под контроля, вызывает мгновенное сжатие (коллапс) звезды. Гигантский выброс энергии в виде нейтрино и ударных волн, исходящих из внутренней области звезды, буквально сдувает внешние слои звезды в окружающее пространство, разбрасывая тяжелые элементы по просторам галактики. Подобный выброс обычно называют взрывом сверхновой (см. гл. 5). Каждый взрыв сверхновой обогащает галактику ничтожно малыми (следовыми) количествами элементов, столь необходимых для образования планет типа Земли, а в дальнейшем – для зарождения и эволюции населяющих ее форм жизни. Таким образом, наш организм построен из реликтовых осколков когда‑то ярких звезд, которые погибли задолго до возникновения Земли и Солнца.

Тяжелые элементы в окружающем нас мире несут на себе отпечаток бурной истории Вселенной; однако от несравненно более неистовой эпохи космической эволюции, Большого взрыва, ведут свое начало легкие элементы – водород и гелий. Возникает вопрос: существовали ли эти элементы «с самого начала» или они являются реликтами какой‑то очень ранней фазы?

Ключ к пониманию ранних этапов эволюции Вселенной скрыт в гигантском количестве теплоты, выделившейся при Большом взрыве. В своем простейшем варианте теория горячей Вселенной предполагает, что Вселенная спонтанно возникла в результате взрыва из состояния с бесконечно большой плотностью и бесконечно большой тепловой (внутренней) энергией. По мере расширения Вселенной температура падала – сначала быстро, а затем все медленнее – от бесконечно большого значения до довольно низкой величины, при которой возникли условия, благоприятные для образования звезд и галактик. На протяжении около 100 тыс. лет температура превышала несколько тысяч градусов, что препятствовало образованию атомов. Таким образом, примерно 100 тыс. лет космическое вещество сохраняло форму разогретой плазмы, состоящей из ионизированных водорода и гелия. Лишь когда температура Вселенной понизилась приблизительно до температуры поверхности Солнца, возникли первые атомы. Таким образом, атомы – это реликты эпохи, наступившей через 100 тыс. лет после Большого взрыва.

Остается, однако, еще более интересный вопрос. Каково происхождение ядер водорода и гелия? Не являются ли они продуктами физических процессов, происходивших в еще более ранние эпохи? В первые несколько минут после Большого взрыва температура космической плазмы превышала 10⁶ К – этого было вполне достаточно для протекания ядерных реакций. Методом численного моделирования на ЭВМ и с использованием данных ядерной физики астрофизикам удалось воспроизвести детали ядерных процессов, происходивших в первые минуты существования Вселенной.

Согласно полученным результатам, в конце первой секунды температура достигала 10¹⁰ К – это слишком много для того, чтобы могли существовать сложные ядра. Все пространство было тогда заполнено хаотически движущимися протонами и нейтронами, вперемешку с электронами, нейтрино и фотонами (тепловым излучением). Ранняя Вселенная расширялась чрезвычайно быстро, так что по прошествии минуты температура упала до 10⁸ К, а спустя еще несколько минут – ниже уровня, при котором возможны ядерные реакции. Таким образом, в процессе эволюции ранней Вселенной существовал относительно короткий (порядка нескольких минут) промежуток времени, когда протоны и нейтроны могли объединяться, образуя сложные ядра.

Основной ядерной реакцией в тот период было слияние протонов и нейтронов с образованием ядер гелия, каждое из которых состоит из двух протонов и двух нейтронов. Поскольку протон немного легче нейтронов, они присутствовали в несколько большем количестве, так что по завершении синтеза гелия часть протонов оставалась свободной. Как показывают вычисления, в столь короткое время очень мало что могло произойти. Поэтому образовавшаяся плазма состояла примерно на 10% из ядер гелия и на 90% из ядер водорода. Эти цифры с вполне удовлетворительной точностью характеризуют наблюдаемое содержание названных элементов в современной Вселенной. Таким образом, гелий – это реликт космического «костра», пылавшего в первыенесколько минут после Большого взрыва. К счастью, в первичном веществе был некоторый избыток протонов; именно благодаря остатку несвязанных протонов во Вселенной присутствует водород. Без водорода не светило бы Солнце, а в космосе не было бы воды. Вряд ли при этом могла возникнуть жизнь.

Реликты первой секунды

Возможность установить реликты первых минут существования Вселенной, безусловно, следует рассматривать как блестящее достижение астрофизики. Но ученым не свойственно почивать на лаврах – раздвигая границы возможного, они неуклонно стремятся идти к новой цели. В этом – сущность научного поиска. Для объяснения происхождения химических элементов требуется знать, в каком состоянии находилась Вселенная в конце первой секунды. А что было в более ранние моменты, в течение первой секунды?

Приступить к подобному исследованию означает проникнуть в мир «Алисы в Стране Чудес» с его таинственными состояниями вещества и неведомыми силами. Это значит еще больше приблизиться к самой главной загадке природы – самому акту «сотворения мира»! Чтобы было легче построить наглядную картину Вселенной в возрасте менее 1 с, вообразим, что мы находимся на борту некой машины времени, которая постепенно возвращает нас от момента, соответствующего 1 с, к моменту 0 с, когда в результате гигантского взрыва возникла Вселенная. Но будем осторожны! Наши представления об этом отрезке времени основаны главным образом на гипотезах и экстраполяциях, которым чрезвычайно сложно дать убедительное подтверждение. То, о чем мы будем говорить в этой и последующих главах, – всего лишь результат теоретического моделирования – процедуры во многом спорной и умозрительной.

Чтобы осмыслить события вероятно, происходившие в первые мгновения существования Вселенной, необходимо понять природу космической активности. Если бы мы могли путешествовать вспять во времени, начиная с сегодняшнего дня, что заметили бы, то по мере движения назад темп развития ускоряется. Так, изменения Земли в процессе ее эволюции в течение 4,6 млрд лет происходили очень медленно; поэтому геологические масштабы времени измеряются миллионами лет. Если бы нам удалось вернуться во времена, отстоящие от момента Большого взрыва не на миллиарды, а на миллионы лет, то мы обнаружили бы, что темп развития значительно ускорился. Галактики сформировались течение нескольких сотен миллионов лет, тогда как звезды – еще быстрее (по‑видимому, за несколько десятков миллионов лет). За рубежом, отстоящим от Большого взрыва на 100 тыс. лет, Вселенная предстает почти лишенной какой‑либо структуры – это период горячей плазмы. Темп эволюции здесь можно оценивать по скорости космического расширения и падения температуры. В этот период Вселенная расширялась примерно в 100 тыс. раз быстрее, чем сегодня, а ее температура достигала нескольких тысяч градусов. Еще раньше скорость расширения была много больше, а температура – гораздо выше. В момент 1 с размеры Вселенной возрастали вдвое примерно за 1 с, а ее температура достигала 10¹⁰ К. Очевидно, в пределах первой секунды темп изменений Вселенной был еще выше, безгранично нарастая по мере приближения к моменту Большого взрыва.

Математически это нарастание темпа активности описывается обратно пропорциональной зависимостью. Если обозначить через t время, прошедшее от момента рождения Вселенной – момента Большого взрыва, – то скорость расширения будет пропорциональна 1/t, а температура – 1/ √ t. С уменьшением I обе эти величины возрастают все быстрее, стремясь к бесконечности. Таким образом, поскольку космическая активность неуклонно возрастает по мере приближения к моменту рождения Вселенной, существенные изменения происходят, по‑видимому, за все более короткие промежутки времени. Поэтому здесь целесообразно перейти на исчисление времени в долях 10. Так, за промежуток времени 0,1 – 1 с происходит столько же событий, сколько в интервале 0,01–0,1 с и т. д. Хотя интервал времени уменьшается последовательно в 10 раз, темп изменений, происходящих в каждом таком интервале, оказывается примерно одинаковым.

Возникает вполне естественный вопрос, как далеко можно экстраполировать нашу модель ранней Вселенной, сохраняя уверенность в ее адекватности. Я вспоминаю, как будучи студентом, присутствовал в конце 60‑х гг. на лекции по космологии, где разговор шел о недавно открытом фоновом тепловом излучении. Лектор был несколько смущен, говоря о расчетах содержания гелия на основе ядерных реакций, происходивших, как предполагалось, в первые минуты существования Вселенной. Большинство аудитории открыто смеялось над этой дерзкой затеей и явно ощущало, что моделирование Вселенной в столь ранние моменты ее эволюции – занятие довольно сомнительное. Сегодня умонастроение резко переменилось. Расчеты содержания гелия стали частью общепризнанного подхода в космологических исследованиях, и наше внимание привлекают периоды времени, предшествующие нуклеосинтезу.

У многих вызывает удивление, что экстремальные условия, преобладавшие в первую секунду жизни Вселенной, сегодня можно изучать экспериментально. На современных ускорителях частиц удается в течение очень короткого времени воспроизводить физические условия, существовавшие в столь ранние моменты времени, как 10^–12 с, когда температура достигала 10¹⁶ К, а вся наблюдаемая сегодня Вселенная была «сжата» до размеров Солнечной системы. Таким образом, в путешествии вспять во времени в странный мир первозданной Вселенной нашим проводником на части пути может быть эксперимент.

По мере углубления в прошлое мы встречаемся со все более экстремальными физическими условиями. Наиболее важным параметром, позволяющим оценить этот процесс, является энергия. С приближением к моменту рождения Вселенной энергия типичной частицы, «плавающей» в первичной плазме, возрастает все быстрее. Для момента, соответствующего 1 мин, характерны энергии рентгеновского диапазона. В момент, соответствующий 1 с, господствуют энергии, свойственные некоторым радиоактивным превращениям. В момент, равный 1 мкс (микросекунда), энергия типичной частицы сравнима с энергией, которую удавалось получить на ускорителях начала 50‑х г. Подходя к моменту, соответствующему 1 пс (пикосекунда, 10^–12 с), мы приближаемся к пределу энергии, достигнутому в настоящее время в физике элементарных частиц. За этим пределом путеводной нитью может служить только теория.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: