Шон Кэрролл - о судьбе Вселенной, разных мирах и ходе времени
Шон Кэрролл - о судьбе Вселенной, разных мирах и ходе времени
У нас появилась уникальная возможность пообщаться с Шоном Кэрроллом. В этом интервью он поделился своим мнением о некоторых из недавних открытий в областях темной материи, темной энергии, квантовой механики и по поводу самой Вселенной.
Шон Кэрролл — один из ведущих космологов современности. Он написал несколько книг, ставших бестселлерами, среди которых — «Частица на краю Вселенной» о поиске бозона Хиггса, «Вечность» о стреле времени, а также «Вселенная». Кэрролл получил докторскую степень по астрономии и астрофизике в Гарвардском университете в 1993 году под руководством Джорджа Филда. До 2006-го работал в Массачусетском технологическом институте и Калифорнийском университете в Санта-Барбаре, был младшим профессором в Чикагском университете. Сейчас доктор Кэрролл — профессор в Калифорнийском техническом институте (Калтех) прямо за столом великого Ричарда Фейнмана.

— Доктор Кэрролл, спасибо, что нашли время на это интервью. Наши читатели уже немного знают о вас, где вы учились и какова ваша специализация — в частности, темная материя и Общая теория относительности. Не могли бы вы подробнее рассказать, чем именно вы занимаетесь в Калтехе?

— Конечно. Я — физик-теоретик. Моя работа заключается в изучении того, как работает Вселенная на самом фундаментальном уровне. Множество физиков-теоретиков исследуют, как формируются галактики или почему определенные материалы становятся сверхпроводниками. Я стараюсь понять, какова истинная суть самых глубинных законов природы. Заниматься этим сегодня нелегко, так как у науки уже есть успешная модель — Общая теория относительности Эйнштейна, объясняющая гравитацию. Помимо этого, у нас есть Стандартная модель физики частиц, объясняющая все, что мы когда-либо видели в ускорителях частиц и других машинах, а также в ходе экспериментов здесь, на Земле.

Темная материя
Темная материя

Тем не менее известно, что на этом история не заканчивается. У нас есть данные о вещах вроде темной материи и темной энергии, которые нелегко уместить в современную теорию, поэтому нам следует каким-то образом ее расширить. Также известно, что Общая теория относительности и Стандартная модель не особо сочетаются. Между квантовой механикой — миром Стандартной модели — и гравитацией, искривленным пространством-временем — миром Общей теории относительности — на самом базовом уровне существует несовместимость.
Я изучал эти понятия на протяжении всей своей карьеры. В прошлом много работал над пониманием темной материи и темной энергии. С недавних пор больше времени уделяю квантовой гравитации: квантовому описанию гравитационного взаимодействия. Надеюсь, существует какая-то простая идея. Некоторые считают, что это Теория струн, некоторые верят во что-то другое. Мы подходим к этому вопросу с разных сторон, пытаясь примирить квантовую механику с гравитацией.

— Итак, вы посвятили этому большую часть своей жизни. Что вас вдохновило, подтолкнуло к тому, чтобы стать физиком и ученым?

— Примерно с десяти лет я интересовался конкретными идеями. Читал книги, которые находил в местной библиотеке: о черных дырах, кварках и лептонах, о Большом взрыве. Все это было невероятно интересно. Еще в детстве я решил, что хочу именно этим зарабатывать на жизнь. Честно говоря, когда вам всего десять, не нужно решать, кем вы станете в будущем. Но мне повезло: я выбрал отличную работу, которой занимаюсь до сих пор.

— Вы работаете над квантовой гравитацией. Есть ли в этой области какие-то прорывные открытия или решения, о которых мир еще не слышал?

— Говорить о том, что есть какой-то прорыв в этом вопросе, слишком громко. Эта область движется крайне медленно. Да, были некоторые прорывы за последние 60 лет. Одно из самых важных открытий в квантовой гравитации, пожалуй, — обнаружение Стивеном Хокингом излучения, испускаемого черными дырами. Но за последние несколько лет я бы сказал, что у нас был не столько прорыв, сколько смена акцентов, так как мы стали серьезнее воспринимать квантовую информацию. Все больше людей начинают понимать, что квантовая информация — очень полезный способ рассуждения о квантовой механике в целом и происхождении пространства-времени в частности. Над этой идеей работают сотни ученых. Запутывание было идеей, от которой хотели избавиться, но в итоге она оказалась практически центральным фактором в понимании того, как все устроено.

— На ваш взгляд, какова судьба Вселенной в далеком будущем: случится ли Большое сжатие или нечто иное?

— Очень хороший вопрос. Очевидно, прошлое Вселенной сильно отличается от ее предполагаемого будущего. Мы живем во Вселенной, которая расширяется и остывает. Если отмотать на 14 миллиардов лет назад, то мы получим Большой взрыв. Вселенная находилась в состоянии, которое, насколько нам известно, было невероятно горячим и плотным, а также очень гладким: материя была одинаковой во всех ее областях. Она расширялась и остывала, благодаря этому формировались планеты, звезды и галактики, а также мы. Все это известно уже не один десяток лет и стало общепринятой моделью.


В 1998 году мы узнали о Вселенной кое-что новое: она не только расширяется, но и ускоряется. Если вы посмотрите на далекую галактику, то увидите, что она отдаляется, так как Вселенная расширяется. Но если вы подождете и будете замерять ее скорость в течение более длительного времени, то заметите, что она стала отдаляться быстрее. Это тяжело осуществить на практике, именно поэтому люди хотят получить за это Нобелевскую премию, но именно это они и показали: далекие галактике отдаляются от нас с возрастающей скоростью. И это тайна. Но не та, которую невозможно разгадать. У нас есть одно хорошее объяснение, которое, скорее всего, верно.
Речь идет о космологической постоянной, о вакуумной энергии — идее, высказанной еще Эйнштейном. Согласно ей, в самом пустом пространстве таится энергия. Она расталкивает пространство, ускоряет галактики, удаляющиеся от нас. Вакуумная энергия любопытна тем, что она не меняется. Не разбавляется в процессе расширения Вселенной. Обычные вещи вроде материи и излучения разбавляются в ходе расширения: количество частиц остается тем же, но пространства становится больше, поэтому число частиц в какой-либо области пространства сокращается. Однако, когда дело доходит до темной энергии и вакуумной энергии в частности, ее количество в кубическом сантиметре остается одинаковым, даже когда пространства становится больше.
Итак, получается, чем больше у нас кубических сантиметров, тем больше энергии: это никак не противоречит законам Общей теории относительности. И если это останется неизменным — может, останется, а может, нет, — то Вселенная будет расширяться и растягиваться вечно. Она никогда не коллапсирует в Большое сжатие или нечто подобное. Вселенная потратит все свое топливо, звезды в итоге перестанут гореть, так как исчерпают все запасы водорода, гелия и так далее — и Вселенная погрузится во тьму. Все отдалится друг от друга настолько, что Вселенная станет пустым пространством.


Со времени Большого взрыва прошло 14 миллиардов лет. От сегодня до будущего Вселенной — бесконечность. Это самая простая интерпретация того, что мы знаем о Вселенной и ее судьбе. Могут произойти разные вещи. Темная энергия может испытать фазовый переход и исчезнуть, и тогда в пустом пространстве может появиться нулевая или негативная энергия — и все способно коллапсировать. Любопытно, что мы думаем о Вселенной как о чем-то старом, ведь ей 14 миллиардов лет. Но мы сильно ошибаемся. Вселенная очень молода — по сравнению с тем, насколько старой она станет в итоге.

— Мы видим, как от нас отдаляются галактики. Но в то же время знаем, что однажды Млечный Путь и Андромеда столкнутся. Также нас притягивает к себе Великий аттрактор — и мы, по сути, падаем в него…

— Скажем так: мы заявляем о том, что Вселенная расширяется. И задаемся вопросом: «Что это означает?» Это значит, что галактики отдаляются друг от друга. Но у такого заявления есть оговорки, которые не всегда ясно высказываются. На достаточно большом расстоянии галактики отдаляются друг от друга, но галактики, достаточно близкие друг к другу, могут вообще не отдаляться.

Млечный Путь
Млечный Путь

Так что, когда мы говорим, что Вселенная расширяется, а галактики отдаляются, имеем в виду в среднем, на самых больших расстояниях, которые можно наблюдать. Но соседствующие галактики вроде Млечного Пути и Андромеды гравитационно связаны друг с другом, как и Магеллановы Облака — маленькие галактики-спутники — связаны с нами гравитацией. В общем, есть своего рода разделительная черта между связанными друг с другом и свободно отдаляющимися системами. Как если бы вы подбросили в воздух мяч: если он летит достаточно медленно, то в итоге упадет, но если вы бросите его быстрее скорости убегания, он улетит навсегда. Так что большая часть Вселенной отдаляется от других ее частей быстрее скорости убегания — и в итоге отдалится навсегда. Также есть некоторые части, которые собраны вместе, — это никак не противоречит общей картине.

— Значит, в далеком будущем, спустя миллиарды и миллиарды лет, можно будет сказать, что эти галактические суперкластеры, собравшие вместе ближайшие галактики, будут своими собственными вселенными в общей огромной Вселенной?

— То, что мы называем местной группой, — наш маленький кусочек Вселенной, в который входят Млечный Путь, галактика Андромеда, Магеллановы Облака, другие небольшие галактики и так далее — не расширяется. Совсем. Как и не расширяются Млечный Путь, Солнечная система, потому что они связаны друг с другом гравитацией. Так что вы правы: остальная часть Вселенной отдаляется от нас, и, если подождать достаточно долго, она исчезнет, просто потухнет. И останемся только мы с местной группой галактик.

Ближайшая соседка Млечного Пути — Гал...
Ближайшая соседка Млечного Пути — Галактика Андромеда

Если вы будете ждать дальше, звезды Млечного Пути и Андромеды в итоге потухнут, и у нас останется только газ, планеты и звезды, которые уже не светят, а также черные дыры в этих системах. В частности, в центрах больших галактик вроде Млечного Пути и Андромеды находятся большие черные дыры. Когда я говорю «большие», то имею в виду в миллионы раз массивнее Солнца, но они все равно невероятно малы по сравнению с галактикой весом в миллиарды солнечных масс. Сейчас размеры черной дыры в центре Млечного Пути абсолютно незначительны по сравнению с самой галактикой, но если вы решите ждать миллиарды лет, то в нее будет падать материя, она продолжит расти.
Итак, вы ждете, ждете, ждете. В черную дыру падает куча всякой всячины, она становится все больше, больше и больше. То есть не то чтобы звезды и планеты будут вечно где-то поблизости. В 70-х Стивен Хокинг отметил, что даже черные дыры производят излучение. Даже они не вечны. Они испускают излучение из-за квантово-механических эффектов и теряют энергию, отдавая ее Вселенной. В итоге черная дыра сожмется. Сейчас этого не происходит, так как материя падает в черные дыры намного быстрее, чем они испускают излучение. Но в итоге, когда потухнет звездный свет, а Вселенная расширится и остынет, черные дыры будут скорее усыхать, нежели расти. И вы можете просто продолжать ждать: и тогда даже эти черные дыры испарятся в пустое пространство. Если ждать достаточно долго, Вселенная станет пустым пространством. Потенциально это может продолжаться вечно.


— Вы часто упоминаете, что придерживаетесь многомировой интерпретации. Так ли это?

— Здесь надо быть осторожнее с терминами. Есть многомировая интерпретация — самостоятельная идея. Еще есть Мультивселенная — тоже самостоятельная идея. Они могут иметь сходства, но эти идеи сильно отличаются друг от друга. Мультивселенная — мысль, пришедшая из космологии. По сути, она говорит о том, что очень далеко от нас, в регионах, которые мы не можем видеть из-за огромных расстояний (ведь свет движется с ограниченной скоростью), — условия могут быть совершенно другими. Мы живем в мире, в котором есть законы физики, у частиц есть массы и заряды, три измерения в пространстве и так далее. В космологической Мультивселенной могут присутствовать далекие регионы, в которых частицы и силы отличаются от тех, что мы наблюдаем у себя. Даже размерность пространства может быть там иной. Мы не можем знать, так это или нет на самом деле, но все, что мы знаем о физике сейчас, допускает существование чего-то подобного.

Многомировая интерпретация
Многомировая интерпретация

Многомировая интерпретация, пусть и звучит похоже, — другая идея. Она пришла к нам не из космологии, а из квантовой механики. У квантовой механики есть очень странное свойство: ее часть, связанную с осуществлением измерений, тяжело понять. К примеру: частица вроде электрона может пребывать в разных возможных состояниях. Если бы вы были классиком — например, Ньютоном, — сказали бы: «У частицы есть какая-то позиция. Может быть, мы не знаем, какая именно, но она есть». Квантовая механика же говорит, что у электрона есть волновая функция — суперпозиция каждой возможной позиции. Существуют разные вероятности ее измерения в различных местах.
Согласно многомировой интерпретации квантовой механики, электрон в действительности находится в каждой возможной позиции, пока его не измерят. Как только это происходит, Вселенная разветвляется: разделяется на разные копии. В одной копии электрон находился там, и вы его там увидели. В другой — электрон был в другом месте, и именно там вы его заметили. В третьей же копии электрон находился в совершенно ином месте, и вы его увидели там. Каждый возможный исход этого измерения соответствует отдельной ветви волновой функции Вселенной. Получается, целая Вселенная дублируется. И эти дублированные вселенные почти идентичны, за исключением различий в исходе непосредственного квантового измерения.
Затем вы можете сказать: «Так как я увидел электрон тут, я пойду налево». Или: «Раз я увидел электрон там, пойду направо». Влияние этих различий в итоге может распространиться на макроскопический мир, в результате чего ветви станут совсем разными. Если вся эта история верна, то пертурбации плотности в ранней Вселенной, в результате которых появились галактики и звезды, сильно отличаются друг от друга в разных ее ветвях. Получается, расположения и природа галактик и звезд в многочисленных ветвях этой волновой функции различны.
Это и есть многомировая интерпретация. Звучит экстравагантно, но в действительности это самая естественная и простая интерпретация базовых уравнений квантовой механики. Если она вам не нравится —без проблем, — но вам придется модифицировать правила, чтобы избавиться от дополнительных миров. Некоторые исследователи сейчас занимаются именно этим.
Все звучит несколько фантастически, но дело в том, что между такими ветвями невозможно путешествовать туда и обратно. Нельзя отправиться в путешествие по какой-то другой ветви. Как только они разделяются, это необратимо. И точка.

— Эта теория и правда очень интересна, над ней следует поразмыслить. Но есть ли какая-то возможность ее доказать?

— Говоря технически, в физике мы никогда ничего не доказываем. Мы собираем доказательства в пользу и против разных теорий. Раньше, в «дни битв» квантовой механики (так доктор Кэрролл называет время до разработки Стандартной модели. — Прим. авт.), мы спорили о разных ее интерпретациях. Мы считали, что, по сути, есть одна теория, но о ней можно говорить по-разному. Теперь ситуация прояснилась. Существуют разные физические теории, которые могут привести к известным и любимым нами результатам – их мы называем квантовой механикой, о которой пишут в учебниках. Сами теории отличаются, и эти различия проявляются в экспериментах. Суть не в том, чтобы доказать истинность многомировой интерпретации, а в том, чтобы собрать доказательства в пользу или против определенной формулировки квантовой механики. И сегодня существует экспериментальная программа, в которой работают именно над этим. Никогда не получится что-то сказать наверняка, так как в науке ничто не может быть известным на 100 процентов. Это не математика и не логика – вы не доказываете теоремы. Вы собираете данные и спрашиваете себя: «Учитывая всю информацию, которая у меня есть, как лучше всего ее объяснить?»
В каком-то смысле каждый раз, проводя квантово-механический эксперимент — с двумя прорезями, опыт Штерна — Герлаха или любой другой классический эксперимент в квантовой механике, — вы проверяете многомировую интерпретацию квантовой механики.

— На протяжении последних шести месяцев ученые из разных стран, лабораторий и обсерваторий сообщали об удивительных открытиях и теориях. Об одном из крупных открытий объявили в июле 2018 года: регистрация источника нейтрино высоких энергий нейтринной обсерваторией IceCube. На ваш взгляд, почему это прорывное открытие для астрофизики и как оно повлияет на дальнейшие исследования?

— Все астрономические исследования на протяжении истории совершались посредством фотонов. Мы смотрим на мир своими глазами, но в какой-то момент мы изобрели телескопы, микроскопы и камеры, чтобы видеть лучше, но это все еще свет — электромагнитное излучение, которое мы видим. Однако Вселенная полна других вещей. Первое, что мы сделали в историческом контексте, — расширили способы наблюдений за пределы видимого света, чтобы была возможность регистрировать радиоволны, ультрафиолетовое и рентгеновское излучение и так далее.


И сегодня, когда мы проектируем новые телескопы, делаем так, чтобы они видели свет во всех частях электромагнитного спектра, но в итоге это все равно свет, фотоны. Не помню точно, когда именно, но в какой-то момент люди обнаружили космические лучи. Это случилось довольно рано, где-то в 1930-е: мы узнали, что земная атмосфера бомбардируется частицами из космоса. Это частицы высоких энергий, принимающие формы протонов, электронов и даже атомных ядер. То был абсолютно новый способ наблюдения Вселенной. Мы многое узнали о космических лучах, но проблема в том, что они состоят из заряженных частиц и по мере их продвижения сквозь Галактику отражаются ее магнитным полем.
Выходит, что, когда вы видите их, летящими из космоса, можете определить, откуда они летят, но это не то место, из которого они появились изначально. Космические лучи тяжело использовать для составления плана Вселенной так, как мы можем сделать это с фотонами, потому что они движутся по прямым линиям. Нужно открывать другие способы наблюдать Вселенную — посредством незаряженных частиц, нейтральных частиц, не только при помощи фотонов, но и других явлений.
Сейчас уже есть два примера, появившихся за последние годы. В 2016-м мы впервые зарегистрировали гравитационные волны. И эксперимент LIGO нашел сигнал столкновения двух черных дыр. Однако поймать нейтрино гораздо сложнее. Мы уже обнаруживали нейтрино из космоса, а именно солнечные нейтрино — на Земле есть несколько работающих обсерваторий, изучающих их. Это обнаружение многое поведало нам о физике нейтрино. Мы не так много нового узнали о физике Солнца — оказалось, наши модели светила и того, как оно сжигает свое ядерное топливо, совпадают с тем, что показали нейтрино. Как только мы узнали, что у нейтрино есть масса и они изменяются между разными ароматами, Солнце стало понятнее. Но нам нужны нейтрино из более далеких областей, чем Солнце.

Столкновение двух черных дыр — событи...
Столкновение двух черных дыр — событие, вызывающее мощные гравитационные волны

В астрономии был всего один случай, когда обнаружили нейтрино из далекого космоса. В 1987 году произошел взрыв сверхновой в одном из Магеллановых Облаков — Supernova 1987A. Его можно было наблюдать посредством фотонов, но также и при помощи нейтрино, которые зарегистрировали на Земле. Тогда мы смогли сравнить время, потребовавшееся нейтрино, чтобы добраться до нас, со временем, затраченным фотонами, и так далее. Однако потом с нейтрино из космоса было сложнее.
Замечательный эксперимент IceCube расположен в Антарктиде. Так как нейтрино очень слабые и их тяжело обнаружить, надо построить гигантский детектор, а затем ждать, чтобы в одну из множества его молекул попали нейтрино. Для этого под землей, в неиспользованных шахтах под горами, изолированных от неба, люди строили нейтринные обсерватории. Но природа дала нам детектор глубоко под землей — в форме льда. Ученые, работающие над проектом IceCube Collaboration, создали километровый куб внутри льда: пробурили в нем отверстия и поместили в них датчики, чтобы видеть вспышки света, производимые частицами из космоса. И им удалось увидеть нейтрино, которые, насколько они могли судить, прилетели из открытого космоса — не от Солнца, не из атмосферы.

IceCube, детектор нейтрино, расположе...
IceCube, детектор нейтрино, расположенный во льдах Антарктики

Потом они увидели нейтрино высоких энергий, которые можно было связать с определенным событием, с местом на небе. Это событие — блазар, определенный тип очень активной и далекой галактики. Источник за пределами Млечного Пути. Блазар — это галактика с огромной черной дырой, вокруг которой вращается материя в форме диска, падающая в нее и испускающая высокоинтенсивное излучение. Мы видели эти блазары с помощью оптических телескопов, а теперь смогли увидеть при помощи нейтрино. Это абсолютно новый способ наблюдения за Вселенной. Всегда, когда мы смотрели на Вселенную при помощи разных способов и аппаратов, узнавали что-то неожиданное.
Опубликовано 07 февраля 2020 | Комментариев 0 | Прочтений 709

Ещё по теме...
Добавить комментарий
Периодические издания






Информационная рассылка:

Рассылка X-Files: Загадки, Тайны, Открытия



Электронный журнал:

THE X-FILES...
Все тайны эпохи человечества