Еще десять лет назад сверхплотным веществом считалось вещество с плотностью 10^14 - 10^15 граммов в кубическом сантиметре, с плотностью, незначительно превосходящей ядерную. А как описать состояние материи, в котором Вселенная находилась в начальные доли секунды, было совершенно неясно. Теперь, после раоот А. Линде, А. Старобинского и других (в основном советских) теоретиков, уже удается описать свойства вещества с плотностью, почти на 80 порядков превосходящей ядерную!
Биография А. Линде предельно проста. Родился в 1948 году. В 1972-м окончил физфак МГУ. С 1985-го - сотрудник отдела теоретической физики (руководит им академик В. Гинзбург) Физического института имени П. Н. Лебедева АН СССР (ФИАН), где работает и сейчас В 1978-м вместе со своим бывшим научным руководителем Д. Кпржницем за цикл работ награжден премией имени М. В. Ломоносова АН СССР. В 1983-м защитил докторскую диссертацию на тему "Фазовые переходы в теории элементарных частиц и космология".
Андрей из семьи ученых: отец - известный радиотехник, профессор; мать доктор наук, крупный специалист по космическим лучам.
И семья у А. Линде получилась чисто научной. УКена тоже доктор наук, тоже физик-теоретик, специалист по квантовой гравитации.
Биография А. Линде коротка, совсем несоизмерима ни с предметом его занятий - вся Вселенная, да еще и расширяющаяся! - ни с тем, что сулят его раооты науке.
- В космологии, - рассказывал А. Линде при нашей встрече, - существует много вопросов, ответить на которые прежде даже не пытались. Почему, к примеру, во Вселенной есть вещество и отсутствует антивещество?
Почему Вселенная в больших масштабах очень однородна и изотропна? Подобные вопросы долгое время казались почти метафизическими. И ответ на них обычно базировался на так называемом антропном принципе. Говорилось, что в анизотропной и неоднородной Вселенной, не содержащей избытка вещества над антивеществом, не могла бы возникнуть жизнь, и никто не мог бы задавать подобные вопросы. Такой ответ довольно остроумен, но не вполне удовлетворителен. И объяснить многое из этой кажущейся метафизики смогла только теория элементарных частиц...
В 1922 году советский ученый, ленинградец А. Фридман (1888-1925) предложил модель нестационарной Вселенной. (К сожалению, А. Фридман умер, так и не узнав о научной революции, вызванной двумя его короткими статьями, не узнал он и о том, что его модель была подтверждена наблюдениями американского астронома Э. Хаббла в 1929 году, не узнал он и о присуждении ему посмертно премии имени В. И. Ленина, 1931 год.)
Фридмановская модель "" расширяющейся Вселенной"
объяснила многое, но она ничего не говорила о периоде очень-очень ранней Вселенной, о том, что происходило сразу же после Большого Взрыва. Этот пробел восполнен новым сценарием (наиболее полно он изложен в докторской диссертации А. Линде) "раздувающейся Вселенной", тому отрезку в жизни Вселенной, который предшествовал фридмановскому.
У А. Фридмана темп расширения Вселенной постепенно замедляется. У Линде радиус Вселенной, начиная от минимального, быстро нарастает ("раздувается", как растущий пузырь) по экспоненциальному закону, что напоминает неудержимый рост цен с постоянной годичной скоростью инфляции. Отсюда и другое название для этого периода развития - "инфляционная Вселенная".
Конечно, инфляция не может продолжаться бесконечно долго: все длилось кратчайшие доли секунды, но в них уложились события огромного для Вселенной значения. Вот точные данные, которые не могут не казаться совершенно фантастическими. За время 10^-30 секунды из точечной области размером меньше 10^-33 сантиметра (!) возникли просторы протяженностью в 10 миллиардов световых лет (10^28 сантиметров)!! И все вещество, содержащееся внутри наблюдаемой части нашей Вселенной (10^45 тонн), возникло из крохи, имеющей не более чем К)"5 грамма вещества!!! Противоречия с законом сохранения энергии? Их нет. Все явилось результатом огромной работы, которую совершили гравитационные силы во время раздувания Вселенной.
После завершения этого процесса Вселенная разбилась на большое количество областей. В каждой из них свойства элементарных частиц и законы их взаимодействия друг с другом различны (наш счастливый жребий!). Этих областей мы не видим, так как размеры каждой (в том числе и той, где мы живем) во много раз превышают размеры наблюдаемой нами части Вселенной...
Наша беседа с А. Линде продолжается. То, о чем рассказывает Андрей, очень непросто, и я тут вовсе не пытаюсь притворяться шибко понимающим. Я возбужден не только тем, что воочию вижу, как на листе бумаги под быстрым карандашом А. Линде извивается и трепещет "траектория" эволюционирующей во времени Вселенной. Не только тем, что нити микромира и макромира оказались завязанными в одном хитро запутанном клубке. Больше всего, пожалуй, меня будоражит сидящий против меня за столом Андрей: он сам представляется мне огромной нерешенной загадкой.
Я думаю о необычности его профессии - профессии физика-теоретика, - об исследователях, поневоле вынужденных работать в одиночку ("мы одиночки", несколько раз повторял он) годами - среди библиотечных полок, с редкими вылазками на семинары, где можно выслушать приговор коллег, - вынашивающих свои мысли ("Месяп читаю одни детективы, - признался Андрей, - у меня сейчас творческий тупик"). Думаю и о том, как же ему все-таки удается (какие тут особые приемы, подходы, правила научной "игры") держать Вселенную на кончике пера.
Я соприкоснулся с большой (и профессиональной и личной) тайной," и это взволновало меня. Как вообще может крошка человек, плывущий в головокружительных просторах космоса на небольшом суденышке - Земле, вращающейся вокруг одной из миллиардов звезд, как может человек, заключенный в этой мельчайшей частичке Вселенной, изучать всю ее остальную бескрайнюю часть?
Догадываться о ее прошлом и будущем? И не просто догадываться, но творить твердое знание? И даже замахиваться - сколько научной смелости тут требуется! - на то, чтобы в конце концов объяснить, откуда же берутся эти вселенные?
Нечто по имени Ничто
В нашей беседе с А. Линде очень часто и так ж эдак мелькало, уходило и возвращалось все вновь и вновь одно и то же слово. Как жужжащий шмель, оно то влетало, то вылетало из нашего разговора. Как необходимая приправа, без которой пища не пища, оно имело самое непосредственное отношение к теме, слово это было - вакуум.
Пустоту, мы помним, в науку ввел Демокрит. Его атомы разделены пустотой. И нож, по мнению Демокрита, режет хлеб только потому, что идет через пустое пространство.
Умозрительные (чисто философские) рассуждения Демокрита постепенно обрастали подробностями. Аристотель отрицал пустоту, но она тревожила его воображение, пройти мимо этого понятия крупнейший энциклопедист древности никак не мог. Он писал: "Надо признать, что дело физика - рассмотреть вопрос о пустоте, существует она или пет и в каком виде существует или что она такое..."
За признание пустоты в физике (о, эта интуиция великих умов!) боролся французский философ и математик Р. Декарт (1596-1650). Вот его слова: "Все пространства, которые обычно считают пустыми и в которых не чувствуется ничего, кроме воздуха, на самом деле так же наполнены, и притом той же самой материей, как и те пространства, где мы чувствуем другие тела..."
Этот перечень цитат, где прозревается грядущее научное и практическое значение вакуума, можно было бы легко продолжить, сославшись на Б. Паскаля, И. Ньютона, Д. Менделеева и других ученых.
Да, предсказывая вакууму большое будущее, корифеи науки не заблуждались: вакуум становится сейчас непосредственным объектом многих исследований физиков во всех концах мира. (Не теряют времени и популяризаторы науки: в нашей стране уже появилась книжка с названием "Нечто по имени Ничто". Правда, смысл этого заголовка - но таков уж вакуум! - мало изменится, если поменять местами слова Нечто и Ничто.)
Отчего же это Ничто, это вроде бы полное отсутствие чего бы то ни было, стало таким наполненным и полновесным? Да потому, что вакуум (чаще для солидности теперь говорят о "физическом вакууме") предстал перед учеными отнюдь не пустым.
А. Линде: "Вакуум - это то, что лишь выглядит как пустота. Под микроскопом, если выражаться фигурально, он буквально кипит, выбрызгивая элементарные частицы..."
Действительно, физический вакуум заполнен частицами особого рода, исчезающими сразу же после своего рождения. Одновременно существующими и нет, воистину эфемерными.
Такие почти-частицы в физике носят название виртуальных. Их вроде бы невозможно зафиксировать. Но - опять парадокс! - эти призраки микромира, почти фантомы, тем не менее могут взаимодействовать с частицами реальными, настоящими, влиять на их поведение.
Вот оно, "окошко" в вакуум, в это загадочное и, казалось бы, неуловимое Нечто.
В последние годы очень много внимания вакууму уделяет паш ведущий космолог академик Я. Зельдович. Совсем недавно торжественно отмечался его 70-летний юбилей (родился в 1914 году). Однако этот ученый (трижды Герой Социалистического Труда) полон неиссякаемой творческой энергии и в силе и быстроте мышления не уступает молодым физикам-теоретикам. (Считается, что карьера физика-теоретика, как и звезды балета - хотя для балерины, может быть, мускулы ног важней нейронов головы! - заканчивается к 30 годам: он-де "сжигает" свои лучшие мозговые клетки. Я. Зельдович своим примером опровергает это, конечно же, вздорное мнение.)
Я. Зельдович много пишет о вакууме, и тон его выступлений становится все более уверенным. Вначале он только ставил вопросы (одна из его статей в журнале "Успехи физических паук" называлась "Теория вакуума, быть может, решает загадку космологии", 1981 год), но теперь уже почти не сомневается, что в вакуумном океане рождаются ке только элементарные частицы - эти крохотные островки среди бушующих стихий, - но и целыа материки вселенные.
Что же все-таки было в момент команды "старт"?
Я. Зельдович верит: развитие теории квантовой гравитации приведет к возможности квантового флуктуационного рождения Вселенной, ее создания из вакуума. "Вещество Вселенной родилось из ничего, - повторяет он и тут же спешит добавить: - И это не противоречит физическим законам".
...Вселенная тогда клокотала, как кипящий чайник
Мы продолжаем разговор о Вакууме (это слово, как и слово Вселенная, давно уже следует писать с большой буквы), Вакууме, который не следует путать с пустотой.
Д. Киржниц (родился в 1926 году), физик-теоретик, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий сектором теории сверхпроводимости в ФИАНе, после окончания физфака МГУ в 1949-м несколько лет работал в промышленности. На заводе, когда Д. Киржниц определялся на работу, расспросив молодого человека и узнав, что он занимался поляризацией вакуума, в отделе кадров рассудили просто: решили дать ему в руки кисточку и определить к вакуумным приборам замазывать трещинки...
В судьбе теоретика всякое бывает! Но именно Д. Киржниц первым высказал оригинальную мысль о том, что физический вакуум может проявлять свойства сверхпроводимости. Вместе с А. Линде (1972) он показал, что система уравнений, описывающих сверхпроводимость в металле, практически неотличима от системы уравнений, характеризующих вакуум. Что при определенных обстоятельствах вакуум может резко изменять свои свойства, испытывать фазовые переходы. За это позднее исследователи и были удостоены Ломоносовской премии.
Сверхпроводимость, это необычное свойство проводника вовсе не оказывать сопротивления электрическому току, - явление уникальное. Однако вакуум тут выказывает еще более поразительные качества: он, оказывается, изолятор для токов электромагнитных и сверхпроводник для токов слабого взаимодействия. Так сказать, един в двух лицах!
Сверхпроводимость характеризуется критической температурой. Выше этой точки сверхпроводимость исчезает, внутреннее состояние проводника перестает быть упорядоченным (в вакууме, как оказалось, виртуальные частицы тоже отнюдь не находятся в состоянии хаоса). Так вот, для металлов критическая температура не превышает что-то около 25 градусов выше абсолютного нуля (шкала Кельвина). А в вакууме - он и тут ставит рекорд критическая температура, как показали расчеты, равна 10^16 градусов!
Где же найти подобные чудовищные и даже еще более высокие температуры? Где? Их имела Вселенная сразу же после "первовзрыва", когда физический вакуум не был сверхпроводником, а обладал совсем другими свойствами. И это обстоятельство проливает свет не только на ход формирования Вселенной, но и на историю элементарных частиц. Попробуем это объяснить.
Результат деятельности трех из четырех основных сил природы - сильных, слабых и электромагнитных - можно наблюдать совокупно в любом акте радиоактивного распада атомов.
Tут сильное (ядерное) взаимодействие обусловливает "слипание" протонов и нейтронов, покидающих разваливающийся атом в виде ядер атомов гелия а-частиц.
Слабое взаимодействие побуждает нейтрон ядра к распаду: так возникают электроны - р-частицы. А электромагнетизм проявляет себя в испускании квантов света - у-лучей.
Прежде все эти фундаментальные силы казались ученым совершенно независимыми. Однако теперь теория "Великого объединения" сделала эти различия иллюзорными, мнимыми. В момент Большого Взрыва, при сверхвысоких температурах, различия сил не существовало, их разделение произошло позже.
К моменту времени 10-35 секунды после Большого Взрыва вследствие расширения температура вещества понизилась до 10^16 градусов. И вот тут произошло первое разделение сил: сильные взаимодействия отделились от электрослабых. Что и привело к выделению отдельно кварков и лептонов.
Это был скачок в эволюции Вселенной, сопровождавшийся фазовым переходом. Высвободившаяся при этом из вакуума гигантская энергия (перекачка энергии из вакуума в вещество) перешла в кинетическую энергию пузырьков повой фазы, подобно тому как это происходит при бурном вскипании сильно перегретой жидкости.
Вселенная тогда буквально клокотала, как кипящий на плите чайник!
И этот фазовый переход не был в истории Вселенной единственным. Позднее, ко времени 10^-10 секунды после "пуска", произошел новый фазовый переход: здесь уже электрослабое взаимодействие "раскололось" на слабые ядерные силы и силы электромагнитные. В результате все окружающие нас частицы, кроме фотонов и нейтрино, приобрели собственную массу...
Так творился наш мир.