Не исключено, что гравитоны дадут неплохое начальное приближение для перехода к решению общей задачи о структуре пространства-времени в очень малых областях, вплоть до планковской. Квантование метрического поля при сохранении обычного смысла координат — операция не совсем последовательная. Но эта непоследовательность проявляется только вблизи планковской области, когда взаимодействие между гравитонами заведомо не мало, и они начинают интенсивно размножаться. В результате представления классической геометрии теряют смысл в очень малых объемах[127].
Не понятен пока механизм гравитационного взаимодействия элементарных частиц. Хотелось бы верить, что в какой-то степени его можно будет описать моделью обмена гравитонами.
По имеющимся оценкам, особо актуальной эта проблема должна стать лишь при фантастически высоких энергиях сталкивающихся частиц Е = mРс2 — порядка 2 миллиардов Джоулей. В этом плане далекое будущее физики высоких энергий тоже упирается в проблему планковской области. Все дороги ведут в Рим!
Рассматривая картину ранних космологических стадий, трудно избежать одного древнейшего предрассудка. Речь идет о более или менее длительном периоде начального Хаоса, из которого постепенно и в довольно поздние сроки формируются структуры. Конечно, сейчас ученые не мыслят его в виде какого-то клубящегося античного океана — разыгрывается модель крайне горячего газа элементарных частиц, однако идея бесструктурности объектов ранней Вселенной играет важную роль. Вроде бы все верно, какие структуры могут образовываться в среде, чья температура измеряется миллиардами миллиардов градусов? Любая из них разрушится в самом зародыше…
И все-таки проблема не так проста, как может показаться на первый взгляд.
Общепринятые ныне представления сводятся к тому, что лептоны, фотоны и кварки — частицы точечные, и первый структурный уровень эволюции соответствует синтезу адронов из кварков при t ~ 10-5 с. Адроны действительно сложные образования, их нетривиальная структура подтверждена прямыми экспериментами. Не исключено, что в соударениях при куда более высоких энергиях нам удастся установить сложное строение каких-то других частиц — выяснится, например, что кварки и (или) лептоны можно описать набором более простых структурных единиц. В этом случае придется выделять особую эпоху кваркового и (или) лептонного синтеза, но ничего сверхнеожиданного такое выделение не внесет. Осознав, что в истории Вселенной были эпохи без наблюдаемых звезд и галактик, без привычных атомов и молекул и даже без адронов, нетрудно будет привыкнуть и к докварковой эре.
После адронов появляются следующие структурные уровни — простейшие атомные ядра, а много позже — атомы и молекулы. Если представление об адронах как составных системах не слишком наглядно, то теперь уже можно довольно уверенно говорить о «чем-то, состоящем из того-то и того-то» (ядро гелия-4 — из 2 протонов и 2 нейтронов, атом водорода — из протона и электрона и т. п.). Ну, а потом создаются условия для синтеза более сложных веществ, и решающую роль в этом добром деле играет гравитация, конденсирующая материю в достаточно компактные объемы. Картина дальнейшей эволюции во многом уже прояснена, и мы обсудим ее, рассказывая о космогонической фазе.
Теперь же нас интересует нечто, относящееся к совсем ранней Вселенной. Вопрос в следующем — каковы собственно локальные проявления гравитации до эпохи адронного синтеза? Не приводит ли гравитационная конденсация к образованию каких-то реликтовых структур, неизвестного нам типа, возможно целых эволюционных ветвей материи, просто не замеченных пока современным экспериментом и не разработанных как следует теорией?
Кое-что на эту тему уже обсуждалось, например, гипотеза Зельдовича-Новикова о формировании реликтовых черных дыр очень малого размера и колоссальной плотности. Согласно теории Хокинга, некоторые из этих дыр могли бы проявиться как раз в современную эпоху, демонстрируя завершающую стадию своего испарения.
Задачу можно ставить и несколько шире — почему только дыры? Не способна ли гравитация сконденсировать в очень ранней Вселенной и чуть менее массивные равновесные объекты типа звезд, не входящих в режим коллапса?
Начнем опять-таки с эпохи адронного синтеза. Очень вероятно, что подавляющее большинство кварков стягиваются при t ~ 10-5 с в отдельные адроны. Но не может ли вести гравитационная конденсация кваркового вещества в объеме порядка 3 км (R ~ ct ~ (3.105 км/с)х10-5 с ~ 3 км) к образованию реликтовых кварковых звезд примерно такого же размера? Вообще, не формируются ли на этой стадии — пусть с очень небольшой вероятностью кварковые структуры, сильно отличные от известных ныне адронов?
Суть дела в том, что современный эксперимент по столкновениям адронов при высоких энергиях имеет дело с очень малыми количествами кваркового вещества, причем уже организованного в адронную форму. В результате соударений рождаются снова адроны. Но условия реакций здесь совсем иные, чем в ранней Вселенной. Область взаимодействия окружена вакуумом, а не веществом сверхъядерной плотности. Возможно, в связи с этим и резко подавлены каналы образования чего-то отличного от известных адронов, и более крупные кварковые структуры просто не могут проявиться при современных энергиях и объемах участвующего в реакциях кваркового вещества.
Проблема кварковых звезд и макроскопических капель кварковой жидкости уже обсуждается современной теорией, хотя перспективы прямого эксперимента в этой области сопряжены с огромными трудностями. Однако впереди маячит нечто очень важное: новая картина ранней Вселенной, гораздо менее унылая, чем однородный горячий бульон точечных частиц. Не ухватились ли мы лишь за сравнительно поздние ветви космогонической эволюции, упуская из вида значительное многообразие ее самых ранних форм?
Перейдем теперь к эпохе, когда могли формироваться гипотетические мини-дыры массой порядка 1015 г, способные и сегодня завершать свое испарение. Предположим, что наряду с ними при t ~10–23 c конденсируются какие-то немного менее массивные объекты колоссальной плотности ½ ~ 1052 г/см3 и радиусом R ~ 10–13 см, способные пережить самые горячие времена и сохраниться в нынешней Вселенной.
И сразу же возникает один очень интересный аспект микрозвезд гравитационные атомы.
Уже давно теоретики обратили внимание на одну серьезную несправедливость — кулоновские электрические силы легко связывают, скажем, электрон и протон в атом,[128] тогда как гравитационным силам это как бы не удается. Дело, конечно, в их исключительной слабости. Элементарным частицам невозможно образовать сколь-нибудь устойчивую атомную систему за счет потенциала тяготения. Наглядно это выражается в том, что, скажем, размер гравитационного атома из пары π — мезонов достигает радиуса наблюдаемой Вселенной ((ћ2/Gmπ3 ~ c/H ~ RВсел, где Н — современное значение функции Хаббла). Поэтому, вероятней всего, строить такие атомы без учета качественно новых типов звезд и элементарных частиц не имеет смысла.
Оказывается, что микрозвезды массой 1015 г как раз и могут связываться с электроном в водородоподобную систему, причем удается вычислить тонкие различия в спектре такого атома и обычного водорода, где роль ядра играет протон. Не исключено, что лишь по этим спектральным различиям и следует искать новые атомы. Благодаря недавнему обнаружению очень малой массы покоя у электронного нейтрино можно построить модель, в которой гравитационный атом с орбитальным нейтрино достигает практически макроскопических размеров (rB ~ 10-4 см).
Все эти идеи довольно любопытны, однако главная проблема относится к строению микрозвезд. Один из очевидных подходов — аналогия с нейтронными звездами, иными словами, предположение о том, что микрозвезда состоит из холодного газа частиц, подобных нейтронам. Проблема, однако, в том, что эти частицы, супербарионы, чрезвычайно массивны — примерно в миллиард раз массивней нейтрона, и их поиск на ускорителях пока дело неблизкого будущего[129].
Но уж если фантазировать, так до конца!
Опять-таки проблема микрозвезд толкает нас к планковской области. Попробуем подумать, какой может быть предельно малая звезда?
Очень интересная оценка возникает при попытке сконструировать звезду из холодного газа частиц, каждая из которых эквивалентна самой звезде. Оказывается, такой самозашнурованный объект будет состоять из планкеонов и сам будет планкеоном.
Не сшиваются ли таким образом две вроде бы совершенно несопоставимых группы космического населения — элементарные частицы и звезды? Не является ли планкеон одновременно чем-то вроде минимальной звезды и максимальной частицы?
Должно быть, мы достаточно углубились в сферу мысленных конструкций, не имеющих под собой пока ни одного экспериментального факта. Однако в данной ситуации путешествие по многообразным и скользким путям воображения кое-чем оправдано. На горизонте маячит принципиально новая ветвь астрофизики, тесно переплетенная с грядущими исследованиями поведения вещества в совершенно необычных условиях. Мы ощупываем этот горизонт лучами своих весьма несовершенных аналогий, но даже в столь примитивном освещении вырисовывается нечто крайне привлекательное.
Открытие реликтовых структур типа микрозвезд или каких-то явных следов их существования в ранней Вселенной стало бы одним из мощнейших революционизирующих толчков в истории естествознания. Мало того, что само по себе оно дало бы новую сферу исследований, оно послужило бы и важнейшей опорной точкой для броска в планковскую область, в зону Первовзрыва.
Возможность сшить два мира — звезд и элементарных частиц — кажется чем-то сказочным, однако тот, кто посчитает эту идею пределом фантастики, разочаруется очень скоро — уже в следующем разделе мы столкнемся с не менее эффектными гипотезами.
Хорошая физическая теория должна, исходя из очень небольшого круга фундаментальных положений, выводить конкретные предсказания, в частности, объяснять численные значения наблюдаемых характеристик окружающего мира. Речь идет о массах, временах жизни, светимостях, частотах и т. д.
С большинством таких задач современная физика справляется довольно успешно. Например, мы знаем, что характерная частота переходов в атоме водорода, полностью нормирующая его спектр, легко выражается через постоянную Планка, заряд и массу электрона — это так называемая постоянная Ридберга (R∞ = mee4/2 ћ2). Характерная масса звезды типа Солнца с точностью до несущественного числового множителя оценивается комбинацией трех мировых констант и массы протона (M~ (ћc/G)3/2 mp-2 ~ (mP3/mp2)), то есть удобно выражается через планковскую массу. Нечто похожее имеет место и в других случаях — все в порядке, если наблюдаемые параметры объектов и процессов выражены через некий минимальный набор констант.
В этот набор сейчас включены и величины, которым, может быть, там не место. Многие физики убеждены, что более общая теория даст методы расчета спектра масс элементарных частиц, и массы электрона и протона будут выражены через какие-то более фундаментальные вещи, например, через планковскую массу. Не исключено, что найдутся в такой общей теории и идеи, позволяющие вычислять заряд электрона и другие константы взаимодействия. Было бы, конечно, здорово свести все и вся к комбинациями трех мировых констант ћ, с, G или, что то же самое, к планковским единицам. Но пока приходится опираться на достигнутое, и реалистический минимальный набор, наряду с фундаментальной тройкой, включает массы и константы взаимодействия элементарных частиц.
Общая теория имеет шанс еще долго пробыть предметом веры, но в связи с ее предполагаемым появлением есть и несколько пессимистические точки зрения. Честно говоря, в области известных ныне элементарных частиц не видно параметра с размерностью массы, который позволил бы объяснить весь спектр наблюдаемых масс. И не так-то легко поверить в существование одного параметра, который (подобно константе Ридберга в атомной физике) даст единую нормировку массового спектра в огромном интервале от нейтрино до самых тяжелых адронных резонансов. Что же касается стратегии дальнего прицела, например, использования планковской массы, то по нынешнему физико-математическому кругозору кажется маловероятным, чтобы какая-то теория уверенно вычисляла потрясающе малые безразмерные константы отношения масс обычных элементарных частиц к массе планкеона (скажем, для протона mр/mР = 10–19!).
Если даже предположить, что программа такого рода будет выполнена, и все известные массы частиц и константы связи выстроятся из фундаментальной тройки, то останется и такой вопрос: как объяснить тройку, или, по-другому, откуда берется планковский набор {lP, tP, mP}?
Подходя к делу прагматично, можно вообще не считать актуальной проблемой получение спектра масс элементарных частиц и тем более установление природы планковского набора. В конце концов, современный уровень физики просто не позволяет заглянуть достаточно глубоко — в свое время и набор частот в атомных спектрах представлялся загадкой…
Есть и иной путь — поискать какую-то совсем оригинальную схему объяснения, не исключая даже сильных отклонений от существующей физической традиции. Под традицией понимается своеобразная атомистическая идеология, сложившаяся в первые десятилетия нашего века под впечатлением грандиозных успехов атомной и молекулярной физики. Есть определенный структурный уровень материи — окружающее нас вещество. Его свойства во всех фазах (газовой, жидкой и твердой) хорошо объясняются моделью атомно-молекулярного строения. Но сами параметры атомов и молекул — массы, размеры, характерные частоты — до поры входили в теорию просто как необъяснимые константы. Квантовая теория превосходно объяснила эти параметры на более глубоком структурном уровне, создав модели строения атомов и молекул. На сегодняшний день атомно-молекулярная картина целиком выводима из свойств элементарных частиц, то есть основана на еще более глубоком структурном уровне материи. Ну, и так далее — прорвемся мы когда-нибудь к следующему уровню и на этой основе построим полную теорию элементарных частиц, и их массы, конечно же, исчезнут из минимального набора констант…
Вполне вероятно, что так и будет, но есть ли уверенность, что материя достроена по строго матрешечному принципу?
Оригинальная точка зрения, не разделяющая эту уверенность, стала развиваться в 60-е годы. Речь идет о так называемом методе бутстрэпа, или самозашнуровки[130]. Этот подход выставил в качестве схемы объяснения такую идею: все параметры минимального набора образуют единственную самосогласованную систему в том смысле, что любой из них имеет наблюдаемое значение, поскольку все остальные имеют тоже наблюдаемые значения. Иными словами, масса протона составляет 1,67.10–24 г потому, что масса электрона 9,11.10–28 г, масса Солнца 1,99.1033 г, а скорость света 3.1010 см/с и т. д. И если немного изменить массу протона (или Солнца или? — мезона), «поедут» все остальные фундаментальные константы и параметры, теоретические оценки во всех областях разойдутся с наблюдениями.
Разумеется, здесь приведена экстремистская формулировка бутстрэпа как принципа организации Вселенной. Из нее следует, что мы живем — в лучшем или не в лучшем, — но в единственно возможном мире. Решить проблему в такой формулировке трудно, если вообще возможно.
То, что масса обычных звезд зависит от массы протона, — следствие обычной астрофизической модели, не требующее чего-то в духе бутстрэпа. Связь между величинами масс протона и электрона вообще не ясна. В теории адронов бутстрэп продемонстрировал ряд наглядных связей между массами, но распространить эти идеи на лептоны (в частности, на электрон) не удалось.
Если бы дело ограничилось явным вычислением связей такого рода или гипотезами о возможных связях, то, по сути, бутстрэп следовало бы считать принципом взаимосогласованности различных срезов действительности.
Но у него есть и особая, так сказать, зона применения. Увидеть ее проще всего, обратив внимание на так называемые «магические соотношения». Одно из них мы упоминали в предыдущем разделе — радиус наблюдаемого участка Вселенной того же порядка, что и радиус гравитационного атома, образованного парой обычных элементарных частиц (R ~ c/H ~ ћ 2/Gm3 [131]). Современная теория элементарных частиц и теория гравитации это соотношение не выводят, возможно, потому, что они не объединены. Вот здесь-то бутстрэп и пытается сыграть роль заместителя единой теории. Можно, например, показать, что возраст типичной звезды на главной последовательности диаграммы Герцшпрунга-Рэссела по порядку величины близок к t ~ ћ 2/Gmp3c ~ tP (mP/mp)3, то есть рассмотренное «магическое соотношение» как бы отражает экспериментально наблюдаемый факт обилия звезд главной последовательности в нашу эпоху. Появляется своеобразная зарубка на оси времени (t ~ 1017–1018 с), соответствующая космологической эпохе обилия обычных звезд. Это нечто вроде зарубок, соответствующих эпохам адронного синтеза (t ~ 10-5 c) или атомного синтеза (t ~ 105–106 лет). Но есть и интересная разница — ведь в «магическое соотношение» входят параметры нашей эпохи, в частности, наблюдаемое значение функции Хаббла. Требуя, чтобы возраст наблюдаемой Вселенной был того же порядка, что и возраст звезд главной последовательности (хотя бы столь большим, чтобы эти звезды могли достаточно далеко зайти в своей эволюции), мы вроде бы объясняем «магическое соотношение» — только какой ценой? По существу, мы навязываем Вселенной наличие звезд типа Солнца, а тем самым — косвенно — и собственное существование.
Американский физик Роберт Дикке решил, что эту операцию неплохо бы проделать и в явной форме. Так родилось интереснейшее направление бутстрэпной идеологии — так называемый антропологический принцип[132].
Суть его сводится к тому, что любые следствия любой теории не должны противоречить факту существования наблюдателя, мыслимого в образе человека. Возможен и более эффектный вариант — сильный антропологический принцип, согласно которому параметры Вселенной должны иметь значения, допускающие эволюционную ветвь человеческого типа.
Внешне такая точка зрения кажется чем-то, резко противоречащим всей линии развития общенаучных взглядов — от Кузанца и Коперника до наших дней. Действительно, практически все крупнейшие шаги в астрономии связаны с ликвидацией «центризмов». Ничем не выделены в смысле своего положения Земля, Солнце, Галактика, у человека нет космографических преимуществ в исследовании самых крупных космических масштабов. Как вы помните, обсуждался даже Абсолютный Космологический Принцип, запрещающий наблюдателю иметь не только пространственные, но и временные преимущества. Его рассматривали в качестве предельно полной децентрализации Вселенной в духе идей Кузанца…
Предельное равноправие различных планет, звезд и галактик в роли возможных наблюдательных площадок весьма успешно послужило развитию научного мировоззрения. Но абсолютизация даже такой хорошей вещи, как равноправие, легко приводит к абсурду — обычно с того момента, когда начинают игнорироваться существенные отличительные черты. Особенно это сказывается в анализе эволюционизирующих систем.
Посмотрим на дело вот с какой стороны. Картина Вселенной создается не каким-то внешним по отношению к ней существом, издали созерцающим абсолютную истину. Люди и социальные организмы — тоже подсистемы Вселенной со своими сложными особенностями восприятия. Биологические и социальные организмы видят окружающий мир в меру сложности своей организации. Но одновременно они меняют свою сложность в процессе эволюции. Поэтому не так уж удивительно требование, чтобы общая эволюционная модель — от космологии до социогенеза — обладала такими параметрами, которые допускают существование создателей этой модели.
Еще в первой четверти 20 века физики полагали, что прибор не играет принципиальной роли в познании свойств того или иного объекта. Считалось едва ли не само собой разумеющимся, что точность определения, скажем, координат и скоростей частиц может безгранично нарастать — хватало бы технической смекалки. Квантовая механика преподала превосходный урок на тему этой «безграничности». Оказалось, что поскольку при наблюдении любой объект должен подвергаться внешнему воздействию (на него должен попасть хоть один фотон, иначе как наблюдать?), нет — принципиально нет! возможности одновременно измерять точные значения координаты и импульса и некоторых других пар сопряженных характеристик.
Но схема опыта должна включать не только связь прибор-объект, есть еще связь прибор-субъект. Не исключено, что антропологический принцип пытается уловить именно последнюю связь, подчеркивая, что наблюдатель принципиально может регистрировать прибором лишь те явления, параметры которых не противоречат условию естественного развития этого наблюдателя как подсистемы изучаемой им Вселенной или более того — прямо следуют из аксиомы наличия нашей эволюционной ветви. Не исключено также, что пока этот принцип выражен недостаточно четко и в будущем ему придадут более ясную, например, теоретико-информационную формулировку.
Однако важно, что и теперь анализ в духе антропологического принципа приносит немало интересного. Кстати, знаменитое противоречие между первыми оценками функции Хаббла и геологическими данными можно трактовать как прямое предсказание в рамках этого принципа — возраст Вселенной в любом случае больше возраста Земли (то есть больше 4,6 млрд. лет), иначе в столь краткосрочной Вселенной просто не успели бы развиться планеты с астрономами и геологами.
Но это довольно очевидно. Менее очевидны и очень важны выводы, связанные с анализом минимального набора констант. Выясняется, что при некотором увеличении константы слабого взаимодействия могли бы блокироваться вспышки сверхновых звезд, обогащающие космос тяжелыми элементами, — соответственно, известные звезды второго поколения, их планеты и биосферы типа земной, где тяжелые элементы играют существенную роль, просто не появились бы. При небольшом уменьшении этой константы звезды не содержали бы ядер сложнее гелия, и это опять-таки не привело бы к жизни наблюдаемого типа.
К неприятностям приводят и небольшие вариации гравитационной постоянной — на главной последовательности не оказалось бы звезд типа Солнца. При большем значении возникает царство голубых звезд, при меньшем красных. То же самое, но в обратном порядке происходит при вариациях электрического заряда. Можно проследить и катастрофические последствия изменения других констант. В целом создается впечатление, что человек-наблюдатель может возникнуть лишь в такой Вселенной, чьи константы (минимальный набор) совпадают с наблюдаемыми, во всяком случае, заключены в очень узком «коридоре вариаций». Итак, наблюдатель воспринимает то, что допускается его биосоциальной структурой и допускает эволюционное происхождение этой структуры[133]. Добавление первой части очень важно — она фиксирует включенность наблюдателя в определенный уровень приборных ситуаций и соответствующих модельных представлений. Этот уровень тоже эволюционизирует вместе с наблюдателем.
Объективизация представлений текущего момента, не исчезает ли она? вот основная философская претензия к антропогенным идеям. Оказывается, нет, не исчезает, а может быть, только и появляется благодаря учету выделенной роли наблюдателя.