Астрономы разрушат Вселенную

Тёмная энергия подтверждает своё зловещее название. Она в любой момент может превратиться в вещество, разрушив тот мир, который мы знаем. И работа астрономов лишь ускоряет этот процесс.

Жизнь нашей Вселенной, как мы её знаем, может прерваться в любой момент. И если конец света – неведомый и внезапный – всё-таки случится, нам есть, кого винить. По крайней мере, подозреваемые уже названы. Как следует из работы астрофизика Лоренса Краусса из Университета Кейс-Вестерн Резерв и его коллеги Джеймса Дента из Университета Вандербильта, эти вредители – астрономы.

Провинились астрономы тем, что открыли так называемую тёмную энергию – неизвестную субстанцию, заполняющую всё пространство и в сумме составляющую большую часть содержимого нашего мира.


Тёмная энергия

Тёмной энергией называют неизвестную пока форму материи, благодаря которой наблюдаемое расширение Вселенной происходит с ускорением. Наблюдения за сверхновыми типа Ia показали в конце 1990-х годов, что скорость удаления галактик друг от друга со временем увеличивается, что противоречит обычной логике: взаимное притяжение галактик должно приводить к постепенному замедлению этого космологического бега.

Примерение Общей теории относительности Эйнштейна к этим данным подсказывает, что тёмная энергия должна быть универсальной средой с отрицательным давлением, заполняющей всё пространство. Такими свойствами обладает, например, физический вакуум. В настоящее время доля тёмной энергии в общем энергитическом баллансе Вселенной составляет около 70%, и если она действительно подобна вакууму, эта доля будет лишь увеличиваться: плотность энергии вещества уменьшается с увеличением объёма, в то время как плотность вакуума остаётся постоянной.

Что такое тёмная энергия, пока никто не знает, хотя теорий на этот счёт существует великое множество. Согласно одному из предположений, которого мы будем придерживаться в дальнейшем, тёмная энергия – это энергия вакуума, или, если угодно, «ложного вакуума», запасённая в каком-то физическом поле. Возможно, одном из четырёх фундаментальных полей, известных к настоящему времени, а возможно – каком-то совершенно новом, не открытом пока физикой. Так или иначе, эта энергия существует, и астрономические наблюдения явно показывают, что она отлична от нуля, заставляя галактики разбегаться друг от друга всё быстрее и быстрее.

Частицы и поля в физике – объекты довольно ленивые. Если у них есть лишняя энергия, они почти всегда стремятся её отдать, если только это не запрещено законами физики. Например, если, как говорят физики, «возбудить» атом – например, ударить его, передав часть энергии соударения электрону, последний обязательно попытается отдать её, излучив квант света. Такие переходы с одного энергетического уровня на другой называются спонтанными. В некоторых случаях излучить квант света трудно, и атом надолго, по меркам микромира, задерживается в возбуждённом состоянии. Такие уровни энергии называются метастабильными – «как бы стабильными». По-настоящему стабилен лишь самый нижний, невозмущённый уровень энергии, когда отдавать в виде кванта света больше нечего.

Физические поля ведут себя схожим образом. Если у поля есть лишняя энергия, оно попытается её отдать – например, родив множество частиц. Поля заполняют собой всю Вселенную, образуя физический вакуум, так что частицы будут рождаться по всему её объёму. Многие физики считают, что такое уже случалось, и именно такому событию или событиям мы обязаны тем обстоятельством, что наша Вселенная не пуста – в ней есть частицы, из которых состоят звёзды, планеты и мы сами.

Когда-то очень давно, в первые мгновения после рождения нашего мира, энергия поля, наполнявшего её, была громадной по физическим меркам. Благодаря этому, Вселенная расширялась с ускорением, почти мгновенно раздувшись до огромных масштабов – шёл так называемый этап инфляции Вселенной. Это расширение, в свою очередь, провоцировало рождение частиц, продолжавшееся до тех пор, пока от поля больше ничего не осталось. После этого расширение замедлилось, но, как оказалось, не навсегда.

На самом деле, в вакууме осталась какая-то доля изначального могущества, и не так давно по космологическим масштабам, когда Солнце только появлялось на свет, расширение снова стало ускоряться. Вот эту долю могущества и называют тёмной энергией, которую астрономы открыли в самом конце прошлого века.

Возникает вопрос: не может ли повториться история с рождением частиц? Пока никто не может дать на него отрицательного ответа.
«Вполне возможно, что распад вакуума может повториться, стерев нашу Вселенную с доски», – заявил Краусс в разговоре с журналом New Scientist.

Тем не менее, до сих пор этого не случилось. Возможно, Крауссу и Денту удалось найти причину, благодаря которой Вселенная выжила, а заодно и предложить новое элегантное объяснение «космологической загадки» – почему энергия вакуума так ничтожно мала, но всё же не равна в точности нулю.

Работа Краусса и Дента основана на результатах покойного ныне математика Леонида Александровича Халфина из ленинградского Математического института имени Стеклова. В конце 1950-х годов он показал, что со временем «быстрый» распад квантовой системы – например, атома – сменяется «медленным», что значительно увеличивает вероятность его дальнейшего сохранения в неизменном виде.

Неэкспоненциальный распад

Халфин изучил вероятность спонтанного перехода из возбуждённого состояния в основное. В квантовой физике почти никогда нельзя сказать, что случится с каждой конкретной частицей в определённый момент времени. Мы можем знать лишь вероятность того или иного события, а также закон изменения её со временем.

Например, чем дольше мы ждём, тем вероятнее распад радиоактивного атома. Традиционно считается, что этот процесс носит, очень быстрый, экспоненциальный характер. Если время полураспада атома составляет одну минуту, то шансы на то, что через минуту атом не распадётся, составляют один к двум, через две минуты – 1:4, через три – 1:8, а через час – уже 1 случай против миллиарда миллиардов.

В 1958 году молодой ещё тогда математик Халфин доказал, что этот закон – лишь приближение. Со временем вероятность сохранения «метастабильного» состояния начинает убывать гораздо медленнее. Выражаясь математически, вместо экспоненциального закона начинает работать степенной. В эксперименте этого никогда не наблюдалось, так как к тому моменту, когда происходит переход между двумя законами, абсолютное большинство атомов уже распадаются. Так что работа советского математика, казалось, представляла лишь академический интерес.

Краусс и Дент определили момент, когда происходит переход между «быстрым» и «медленным» режимами распада вакуума. Со многими оговорками им удалось показать, что чем ниже энергия вакуума, тем раньше этот переход случается. После этого миру уже ничто не грозит: энергия вакуума заставляет мир расширяться экспоненциально, и быстрое увеличение объёма вселенной «побеждает» медленный распад.

По мнению Краусса и Дента, наша Вселенная критический момент уже пережила. Конечно, вакуум по-прежнему может распасться на частицы в любой точке, но шансы на то, что в такой большой Вселенной это произойдёт именно рядом с нами, ничтожны. Вот вам и решение космологической загадки – только поля с крохотными энергиями способны дожить до критического момента, когда это поле становится практически вечным.

Но радоваться рано, считает Краусс.

Не надо забывать и про, как обычно, слабо согласующиеся со здравым смыслом эффекты квантовой механики. Один из них называется квантовым эффектом Зенона, а в русской литературе – ещё и «эффектом незакипающего чайника». В отличие от своего тёзки из классической философии, квантовый парадокс Зенона – экспериментально подтверждённое явление. Заключается он в том, что наблюдение за квантовой системой замедляет или даже останавливает её распад.

Постулат редукции и парадокс Зенона

Согласно постулату редукции фон Неймана, наблюдение состояния квантовой системы, давшее чёткий результат, приводит к коллапсу волновой функции в то состояние, которому соотвествует данный результат. До наблюдения система может находиться сразу в нескольких состояниях, и эксперимент показывает, что это действительно так.

Постулат редукции фон Неймана находится вне рамок логики квантовой механики, поскольку ни один квантовомеханический процесс не может привести к необратимым изменениям. Одно из объяснений эффективности этого постулата - необходимость рассмотрения системы вместе с окружением и, возможно, наблюдателем. Ясности в этом вопросе пока нет.

Квантовый эффект или квантовый парадок Зенона состоит в следующем: непрерывное наблюдение за состоянием системы «замораживает» её эволюцию. Причину этого легко понять, рассмотрев серию очень частых наблюдений. Тогда первое наблюдение, в соответствии с постулатом редукции фон Неймана, переведёт систему в некоторое состояние, в котором она сразу после наблюдения будет находиться с вероятностью единица.

В дальнейшем вероятность будет уменьшаться, однако происходит это непрерывным образом, поэтому через очень короткое время вероятнее всего обнаружение системы именно в том состоянии, в которое перевело её первое наблюдение. Это второе наблюдение опять «сбрасывает» отсчёт времени, после него система опять переходит в указанное состояние, и далее можно применять ту же схему рассуждений.

Иными словами, если всё время смотреть на атом урана, ожидая его распада, он не распадётся никогда. Отсюда понятно и второе название эффекта, иногда ещё встречающееся в литературе - «эффект незакипающего чайника».

Непрерывное измерение, как показывает точный расчёт, приводит к полной остановке эволюции состояния. Более того, иногда достаточно, чтобы наблюдение давало лишь отрицательный результат - вроде «распад не произошёл, счётчик Гейгера не сработал».

В нашем случае, речь идёт, скорее, об «обратном» эффекте Зенона: измерив плотность тёмной энергии, мы вернули её в начальное состояние, по сути, сбросив отсчёт времени. А в этом начальном состоянии вакуум распадается в соответствии с «быстрым» законом, и до критического перехода к «медленному» распаду ещё очень далеко.

«Короче говоря, мы, возможно, лишили Вселенную шансов на выживание, сделав более вероятным её скорый распад», – пугает профессор Краусс.

Впрочем, здесь рассуждения вступают на скользкую почву. Однозначного понимания постулата редукции волновой функции, согласно которому наблюдение меняет состояние квантовой системы, не существует. Большинство учёных считают, что редукция не требует присутствия, собственно, разумного наблюдателя. Как говорит космолог Макс Тегмарк из Массачусетского технологического института, «галактики уже давно «наблюдают» тёмную энергию»: именно она заставляет их разбегаться друг от друга с ускорением.
«Когда мы, люди, наблюдаем их свет, это ничего не меняет, кроме наших знаний», – заключает астрофизик.

В то же время многие видные специалисты по квантовой механике отмечают, что постулат редукции находится «вне» квантовой механики и в противоречии с её логической схемой. Поэтому присутствие сознающего субъекта принципиально: именно он выбирает, какая из классических альтернатив имеет место в его, классическом мире. В квантовом мире все альтернативы – распался вакуум или нет, например, – сосуществуют одновременно. Нас, живущих по классическим законам, устраивает лишь одна из них.

© gazeta.ru / 2007-11-23