Naked Science получила эксклюзивную возможность взять интервью у Шоуа Кэрролла. В беседе он высказал свое мнение о последних достижениях в изучении темной материи, темной энергии, квантовой механики и о природе Вселенной.
Шон Кэрролл – выдающийся космолог нашего времени. Он является автором нескольких бестселлеров, в числе которых «Частица на краю Вселенной», посвященная поискам бозона Хиггса, «Вечность», затрагивающая тему стрелы времени, и «Вселенная». В 1993 году Кэрролл защитил диссертацию по астрономии и астрофизике в Гарвардском университете под руководством Джорджа Филда. До 2006 года он работал в Массачусетском технологическом институте и Калифорнийском университете в Санта-Барбаре, занимал должность младшего профессора в Чикагском университете. В настоящее время доктор Кэрролл преподает в Калифорнийском технологическом институте (Калтех), занимая место рядом со столом знаменитого Ричарда Фейнмана.
— Доктор Кэрролл, спасибо, что согласились на это интервью. Наши читатели уже знакомы с некоторыми сведениями о вас, включая информацию о вашем образовании и области специализации — темная материя и Общая теория относительности. Не могли бы вы рассказать подробнее о вашей работе в Калифорнийском технологическом институте?
— Я — физик-теоретик. Моя деятельность связана с исследованием принципов работы Вселенной на самом базовом уровне. Многие физики-теоретики изучают процессы формирования галактик или выясняют, почему некоторые материалы обладают свойствами сверхпроводников. Я стремлюсь постичь суть самых основополагающих законов природы. Сегодня это непростая задача, поскольку у науки уже существует отработанная модель — Общая теория относительности Эйнштейна, которая описывает гравитацию. Кроме того, у нас есть Стандартная модель физики частиц, объясняющая все явления, которые мы наблюдали в ускорителях частиц и других устройствах, а также в ходе экспериментов, проводимых на Земле.
Несмотря на это, история не заканчивается на достигнутом. Существуют данные о темной материи и темной энергии, которые трудно интегрировать в современную теорию, что требует ее расширения. Также известно о несовместимости Общей теории относительности и Стандартной модели. На фундаментальном уровне между квантовой механикой, описывающей мир Стандартной модели, и гравитацией, связанной с искривленным пространством-временем, присутствует противоречие.
На протяжении всей моей профессиональной деятельности я исследовал эти концепции. Ранее я много работал над изучением темной материи и темной энергии. В последнее время я все больше внимания уделяю квантовой гравитации – попытке создать квантовое описание гравитационного взаимодействия. Я надеюсь, что в основе лежит некая простая идея. Одни считают, что это Теория струн, другие придерживаются иных взглядов. Мы рассматриваем этот вопрос с различных точек зрения, стремясь объединить квантовую механику и гравитацию.
— Вы отдали этому делу значительную часть своей жизни. Что послужило источником вдохновения, что побудило вас выбрать путь физика и научной деятельности?
— С около десяти лет меня увлекались определенными идеями. Я читал книги, которые находил в местной библиотеке, посвященные черным дырам, кваркам и лептонам, а также Большому взрыву. Все эти темы казались мне чрезвычайно увлекательными. Еще в детстве я принял решение, что хочу заниматься этим, чтобы получать от этого доход. Если честно, в десять лет не обязательно решать, какую профессию выбрать, но мне посчастливилось: я нашел отличную работу, которой занимаюсь и сейчас.
— Вы занимаетесь исследованиями в области квантовой гравитации. Можете ли вы рассказать о каких-либо значительных достижениях или решениях в этой сфере, которые пока не получили широкой огласки?
— Нельзя утверждать о существенном прогрессе в данной области, так как она развивается довольно медленными темпами. Безусловно, за последние шестьдесят лет были достигнуты определенные успехи, в частности, одно из важнейших открытий в квантовой гравитации – обнаружение излучения, которое испускают черные дыры, благодаря работам Стивена Хокинга. Однако, за последние годы, скорее произошел сдвиг в подходах, поскольку мы стали уделять больше внимания квантовой информации. Растет число специалистов, осознающих, что квантовая информация – это весьма эффективный инструмент для изучения квантовой механики в целом и формирования пространства-времени, в частности. Над этой концепцией трудятся сотни ученых. Квантовое запутывание, которое ранее пытались отвергнуть, в конечном итоге оказалось ключевым фактором в понимании структуры мироздания.
— Как вы считаете, что ждет Вселенную в отдалённые эпохи: произойдёт ли Большое сжатие или нас ожидает другой сценарий?
— Заданный вопрос весьма уместен. Прошлое Вселенной существенно отличается от того, каким мы представляем ее будущее. Мы существуем в расширяющейся и остывающей Вселенной. Если повернуть время вспять на 14 миллиардов лет, то мы увидим Большой взрыв. В то время Вселенная находилась в состоянии, которое, насколько нам известно, было чрезвычайно горячим и плотным, а также отличалось высокой степенью однородности: материя была распределена равномерно во всех областях. В процессе расширения и остывания формировались планеты, звезды и галактики, а также возникли мы. Эти сведения известны уже долгое время и стали общепринятой моделью.
В 1998 году были получены новые данные о Вселенной: она не просто расширяется, но и ускоряется. Если мы наблюдаем за далекой галактикой, то видим, что она удаляется от нас из-за расширения Вселенной. Однако, если проводить измерения ее скорости в течение продолжительного периода, можно заметить, что она стала удаляться быстрее. Практическая реализация этого процесса достаточно сложна, и именно поэтому ученые стремятся получить за это Нобелевскую премию, поскольку именно это они и продемонстрировали: далекие галактики удаляются от нас с возрастающей скоростью. И это остается загадкой, но не неразрешимой. У нас есть достаточно убедительное объяснение, которое, вероятно, является верным.
Рассматриваемая концепция связана с космологической постоянной и энергией вакуума, предложенная еще Альбертом Эйнштейном. Согласно этой идее, даже в самом свободном пространстве присутствует энергия. Эта энергия создает давление, которое расширяет пространство и ускоряет удаление галактик друг от друга. Вакуумная энергия характеризуется своей неизменностью. Она не уменьшается по мере расширения Вселенной. В отличие от обычных компонентов, таких как материя и излучение, которые разбавляются в процессе расширения: количество частиц остается прежним, но увеличивается объем пространства, что приводит к уменьшению концентрации частиц в определенной области. Однако, в случае темной энергии и, в частности, вакуумной энергии, ее плотность в кубическом сантиметре сохраняется на одном уровне, несмотря на увеличение объема пространства.
Чем больше у нас кубических сантиметров, тем больше энергии – это не противоречит положениям Общей теории относительности. Если это условие сохранится – хотя это и не является неизбежным – то Вселенная будет расширяться и растягиваться бесконечно. Она не схлопнется в Большое сжатие или подобный сценарий. Звезды в конечном итоге перестанут существовать, поскольку израсходуют все запасы водорода, гелия и других элементов, и Вселенная погрузится во тьму. Объекты удалятся друг от друга на такие расстояния, что Вселенная превратится в пустое пространство.
Прошло 14 миллиардов лет с момента Большого взрыва. Будущее Вселенной простирается в бесконечность. Это наиболее простая трактовка того, что нам известно о Вселенной и ее дальнейшей эволюции. Возможны различные сценарии развития событий. Темная энергия может претерпеть фазовый переход и прекратить свое существование, что приведет к появлению в пустом пространстве энергии нулевой или отрицательной величины — и тогда произойдет коллапс. Парадоксально, что мы воспринимаем Вселенную как нечто древнее, ведь ей уже 14 миллиардов лет. Однако мы глубоко заблуждаемся. Вселенная чрезвычайно молода, если сопоставить ее возраст с тем, насколько долгой она станет в конечном итоге.
— Мы наблюдаем удаление галактик друг от друга. Однако, мы также знаем, что Млечный Путь и Андромеда неизбежно столкнутся. Кроме того, нас притягивает Великий аттрактор — и мы, по сути, движемся к нему…
— Мы утверждаем, что Вселенная расширяется, и ставим перед собой вопрос: «В чем это заключается?» Это означает, что галактики удаляются друг от друга. Однако такое утверждение требует определенных уточнений, которые не всегда формулируются четко. На больших расстояниях галактики действительно удаляются друг от друга, в то время как находящиеся поблизости галактики могут не испытывать такого смещения.
Когда мы утверждаем, что Вселенная расширяется и галактики удаляются друг от друга, мы подразумеваем в среднем, на самых больших наблюдаемых расстояниях. Однако соседние галактики, такие как Млечный Путь и Андромеда, гравитационно взаимодействуют, подобно тому, как Магеллановы Облака, являющиеся нашими небольшими галактическими спутниками, удерживаются гравитацией. Таким образом, существует своего рода граница между системами, связанные между собой, и свободно удаляющимися. Это можно сравнить с тем, как если бы вы бросили мяч вверх: если его начальная скорость недостаточна, он вернется на землю, но если вы бросили его с превышением скорости убегания, он покинет пределы гравитации и улетит навсегда. Большая часть Вселенной удаляется от других ее частей со скоростью, превышающей скорость убегания, и в конечном итоге удалится безвозвратно. Присутствие некоторых скоплений, удерживаемых вместе, не противоречит общей картине.
— Означает ли это, что в отдалённом будущем, спустя неисчислимые миллиарды лет, эти галактические скопления, объединяющие соседние галактики, станут самостоятельными вселенными внутри необъятной общей Вселенной?
— Местная группа, которую мы определяем как наш небольшой участок Вселенной, включающий Млечный Путь, галактику Андромеды, Магеллановы Облака, другие небольшие галактики и прочие объекты, не подвержена расширению. Она не расширяется абсолютно. Аналогично, не расширяются Млечный Путь и Солнечная система, поскольку они связаны между собой посредством гравитационного взаимодействия. Таким образом, вы совершенно правы: остальная часть Вселенной удаляется от нас, и если дождаться достаточно длительного периода, она просто погаснет и исчезнет. В конечном итоге останемся только мы с представителями Местной группы галактик.
Если продолжать ожидание, звезды Млечного Пути и Андромеды со временем погаснут, и нам останется лишь газ, планеты и неактивные звезды, а также черные дыры, присутствующие в этих системах. В частности, в центрах крупных галактик, таких как Млечный Путь и Андромеда, располагаются массивные черные дыры. Под словом «массивные» я подразумеваю объекты, масса которых в миллионы раз превышает массу Солнца, однако они остаются чрезвычайно малыми по сравнению с галактикой, обладающей массой в миллиарды солнечных масс. На текущий момент размеры черной дыры в центре Млечного Пути ничтожны по сравнению с самой галактикой, однако, если вы готовы ждать миллиарды лет, в нее будет поглощаться материя, и она продолжит увеличиваться.
Итак, вы с нетерпением ожидаете. В черную дыру постоянно падают различные объекты, и она увеличивается в размерах. То есть звезды и планеты не будут оставаться поблизости навсегда. В 1970-х годах Стивен Хокинг указал на то, что даже черные дыры излучают энергию, и, следовательно, не существуют вечно. Этот процесс связан с квантово-механическими эффектами, посредством которых они теряют энергию, отдавая ее Вселенной. В конечном итоге черная дыра уменьшится в объеме. В настоящее время этого не происходит, поскольку материя поглощается черными дырами гораздо быстрее, чем они испускают излучение. Однако в конечном счете, когда звездный свет погаснет, а Вселенная продолжит расширяться и остывать, черные дыры будут уменьшаться, а не увеличиваться. И вы можете продолжать ждать: даже эти черные дыры в конечном итоге исчезнут в пустоте. Если ждать достаточно продолжительный срок, Вселенная превратится в пустое пространство. Этот процесс потенциально может продолжаться бесконечно.
— Действительно, я нередко говорю о своей приверженности многомировой интерпретации. Это соответствует действительности?
— Необходимо проявлять внимательность в использовании терминологии, поскольку существуют отдельные концепции, такие как многомировая интерпретация и Мультивселенная. Несмотря на возможные общие черты, эти идеи существенно различаются. Мультивселенная – это концепция, возникшая в космологии, которая предполагает, что в удаленных от нас областях, недоступных для наблюдения из-за колоссальных расстояний (с учетом ограниченной скорости распространения света), могут действовать совершенно иные условия. Мы существуем в мире, где действуют определенные законы физики, частицы обладают массой и зарядом, пространство имеет три измерения и так далее. В космологической Мультивселенной могут существовать отдаленные области, где свойства частиц и силы отличаются от тех, что мы наблюдаем. Даже размерность пространства там может быть иной. Мы не можем утверждать это наверняка, но современные знания в области физики допускают возможность существования чего-то подобного.
Многомировая интерпретация — это иное представление, не имеющее отношения к космологии, а происходящее из области квантовой механики. Квантовая механика обладает весьма своеобразной особенностью: трудности возникают при понимании той ее части, которая касается процесса измерений. Так, например, частица, такая как электрон, может находиться в нескольких возможных состояниях одновременно. Если бы вы придерживались классического подхода, как это делал Ньютон, вы бы утверждали: «У частицы должна быть определенная позиция. Возможно, мы пока не знаем, где она находится, но она существует». Однако, согласно квантовой механике, электрон описывается волновой функцией — это совокупность всех возможных положений. Различные места предполагают разные вероятности ее обнаружения.
Многомировая интерпретация квантовой механики утверждает, что электрон одновременно существует во всех возможных точках пространства до момента измерения. В момент проведения измерения Вселенная расщепляется, порождая множество параллельных реальностей. В одной из них электрон был обнаружен в определенном месте, в другой – в ином, а в третьей – в совершенно другой локации. Каждое возможное развитие событий при измерении соответствует отдельной ветви волновой функции, что приводит к появлению множества вселенных. Эти вселенные практически не отличаются друг от друга, за исключением результата конкретного квантового измерения.
После этого можно будет отметить: «Поскольку я заметил электрон здесь, я поверю налево». Или: «Так как я обнаружил электрон там, я поверю направо». В конечном итоге, эти различия способны оказать воздействие на макроскопический мир, что приведет к существенной разнице между ветвями. Если эти предположения соответствуют действительности, то возмущения плотности в ранней Вселенной, благодаря которым сформировались галактики и звезды, значительно отличаются в разных ее ветвях. Исходя из этого, расположение и характеристики галактик и звезд в многочисленных ветвях этой волновой функции не совпадают.
Это и есть многомировая интерпретация. Она кажется невероятной, но на самом деле это наиболее логичная и простая трактовка основных уравнений квантовой механики. Если она вам кажется неприемлемой, вы можете отказаться от неё, но для этого потребуется изменить существующие принципы, чтобы исключить существование дополнительных вселенных. В настоящее время некоторые ученые пытаются сделать именно это.
В этом есть доля фантастичности, однако следует учитывать, что перемещение между этими ветвями невозможно в обе стороны. Не представляется возможным отправиться в путешествие по альтернативной ветви. Как только они разделяются, этот процесс становится необратимым. И точка.
— Эта теория действительно привлекательна, стоит уделить ей внимание. Однако, существует ли способ ее подтвердить?
— С точки зрения физики, строго говоря, мы не можем ничего окончательно доказать. Мы лишь накапливаем данные, подтверждающие или опровергающие различные теории. В те времена, когда происходили ожесточённые споры вокруг квантовой механики (по словам доктора Кэрролла, этот период предшествовал созданию Стандартной модели.) , мы обсуждали различные трактовки этой концепции. Наше мнение заключалось в том, что, по сути, существует единая теория, которую можно описывать разными способами. Теперь сложившаяся ситуация стала более понятной. Существуют различные физические теории, способные привести к тем самым результатам, которые мы знаем и любим – мы называем их квантовой механикой, описываемой в учебниках. Эти теории различаются, и эти различия становятся заметны в экспериментах. Главное не доказать верность многомировой интерпретации, а получить свидетельства в поддержку или против конкретной формулировки квантовой механики. И сегодня реализуется экспериментальная программа, направленная именно на это. Невозможно получить окончательные ответы, поскольку в науке ничто не может быть известно со стопроцентной уверенностью. Это не математика и не логика – вы не доказываете теоремы. Вы собираете данные и задаете себе вопрос: «Принимая во внимание всю имеющуюся информацию, как лучше всего ее объяснить?»
Проведение каждого квантово-механического эксперимента, будь то эксперимент с двумя прорезями, опыт Штерна — Герлаха или любой другой классический эксперимент в области квантовой механики, можно рассматривать как проверку многомировой интерпретации квантовой механики.
— За последние полгода ученые из различных стран, лабораторий и обсерваторий представили ряд впечатляющих открытий и теорий. Одним из значимых событий стало объявление в июле 2018 года о регистрации источника нейтрино высокой энергии нейтринной обсерваторией IceCube. Какое значение имеет это открытие для астрофизики и как оно может повлиять на будущие исследования?
— На протяжении всей истории астрономические исследования осуществлялись с использованием фотонов. Мы воспринимаем мир с помощью зрения, но в определенный момент были изобретены телескопы, микроскопы и камеры, чтобы улучшить наше зрение – все они основаны на свете, то есть на электромагнитном излучении. Однако Вселенная содержит гораздо больше, чем просто свет. В исторической перспективе первым шагом стало расширение методов наблюдения за пределы видимого спектра, что позволило регистрировать радиоволны, ультрафиолетовое и рентгеновское излучение и другие виды излучения.
В настоящее время, при разработке новых телескопов, мы стремимся к тому, чтобы они регистрировали излучение во всех диапазонах электромагнитного спектра, хотя по сути это все равно свет, то есть фотоны. Не припомню точную дату, но на определенном этапе люди открыли космические лучи. Это произошло относительно давно, примерно в 1930-е годы: стало известно, что земная атмосфера подвергается воздействию частиц, прилетающих из космоса. Это частицы с высокой энергией, принимающие вид протонов, электронов и даже атомных ядер. Это был совершенно новый метод изучения Вселенной. Мы получили значительные знания о космических лучах, однако возникла проблема: поскольку они состоят из заряженных частиц, магнитное поле Галактики отклоняет их по мере движения.
Оказывается, определить источник космических лучей, прилетевших из космоса, возможно, но это не обязательно их изначальное место возникновения. Использовать космические лучи для построения карты Вселенной так же эффективно, как и фотоны, сложно, поскольку они распространяются по прямым траекториям. Необходимо разрабатывать альтернативные методы изучения Вселенной, используя незаряженные и нейтральные частицы, а также другие физические явления, помимо фотонов.
В последние годы появилось уже два примера, демонстрирующих это. В 2016 году мы впервые зафиксировали гравитационные волны, а эксперимент LIGO выявил сигнал о слиянии двух черных дыр. Однако обнаружить нейтрино значительно сложнее. Мы уже регистрировали нейтрино, прилетающие из космоса, в частности, солнечные нейтрино – на Земле функционирует несколько обсерваторий, которые их изучают. Это открытие предоставило нам ценную информацию о физике нейтрино. Мы не получили принципиально новых данных о физике Солнца – оказалось, что наши модели светила и процессы, посредством которых оно сжигает свое ядерное топливо, соответствуют результатам, полученным с помощью нейтрино. Понимание нейтрино стало более глубоким после того, как было установлено, что они обладают массой и способны к преобразованию между различными типами. Для дальнейшего прогресса необходимы нейтрино, исходящие из более удаленных регионов Вселенной, чем Солнце.
В истории астрономии зафиксирован лишь один случай обнаружения нейтрино, пришедших из глубин космоса. В 1987 году в одном из Магеллановых Облаков произошла вспышка сверхновой — Supernova 1987A. Этот объект был запечатлен на фотографиях, а также зафиксирован при помощи нейтрино, зарегистрированных на Земле. Это позволило сравнить время, необходимое нейтрино для достижения нашей планеты, и время, затраченное фотонами. Однако последующие наблюдения нейтрино из космоса оказались затруднительными.
Уникальный эксперимент IceCube размещен в Антарктиде. Нейтрино обладают крайне низкой энергией, что затрудняет их обнаружение, поэтому для регистрации этих частиц необходим крупномасштабный детектор, требующий длительного ожидания момента взаимодействия нейтрино с одной из молекул установки. Для создания таких нейтринных обсерваторий, изолированных от внешнего мира, люди возводили их под землей, в заброшенных шахтах, расположенных под горами. Однако природа предоставила нам детектор, находящийся глубоко под землей и сформированный изо льда. Специалисты, занимающиеся проектом IceCube Collaboration, создали километровый куб внутри ледяной массы: они просверлили в ней скважины и установили в них датчики для регистрации вспышек света, генерируемых частицами из космоса. И им удалось зафиксировать нейтрино, которые, по их оценкам, прибыли из глубин космоса — не от Солнца и не из атмосферы.
Затем они зарегистрировали нейтрино с высокими энергиями, которые можно было соотнести с конкретным событием, определенным участком неба. Данное событие оказалось блазаром – особым типом чрезвычайно активной и удаленной галактики, расположенной за пределами Млечного Пути. Блазар представляет собой галактику с массивной черной дырой, вокруг которой вращается материя в виде диска, направляющегося в нее и генерирующую мощное излучение. Ранее эти блазары наблюдались с помощью оптических телескопов, а теперь удалось обнаружить их при помощи нейтрино. Это совершенно новый метод изучения Вселенной. При каждом использовании различных способов и приборов для наблюдения за Вселенной, мы неизменно узнавали что-то неожиданное.
— Сотрудники команды IceCube Collaboration выразили большой энтузиазм по поводу полученных результатов, которые были представлены на пресс-конференции, посвященной открытию. На мероприятии было заявлено, что это ознаменует новый этап в развитии многоканальной астрономии. Однако, несмотря на упоминание в презентации, гравитационные волны не привлекли должного внимания. Возникает вопрос, с чем это может быть связано? И почему иногда складывается ощущение, что гравитация остается в стороне от других способов исследования?
— Изначально это объявление сделали физики, занимающиеся изучением элементарных частиц и открывшие нейтрино. Впервые гравитационные волны были зафиксированы в 2016 году с помощью LIGO. Однако дополнительных наблюдений, например, с использованием оптических или других распространенных методов, не проводилось. Это означает, что гравитационные волны были зарегистрированы, но не сопровождались никакими другими сигналами. Важно отметить, что черные дыры не излучают свет, поэтому их обнаружение представляет собой сложную задачу, поскольку они невидимы для обычного света.
Мы получили возможность наблюдать столкновение двух нейтронных звезд. Нейтронные звезды – это не черные дыры. Они состоят из нейтронов, которые начинают излучать свет при взаимодействии друг с другом. Нам удалось зафиксировать это излучение, возникшее в результате слияния двух нейтронных звезд. С точки зрения гравитационных волн, это был пример многоканальной астрономии, обеспечивающей стопроцентное наблюдение. Это открытие, связанное с блазаром, является примером многоканальной астрономии, основанной на данных о нейтрино. Все эти и другие методы наблюдения за Вселенной остаются актуальными. Важно, что они будут использоваться в различных ситуациях. Могут происходить явления в небе, которые можно будет наблюдать посредством гравитационных волн, но без участия нейтрино или фотонов. Также возможны события, наблюдаемые при помощи нейтрино, но без фотонов – и так далее.
День, когда станет возможным одновременное использование нейтрино, гравитационных волн и фотонов, ознаменует собой поистине знаменательное событие. Более того, кажется довольно простым наблюдать гравитационные волны и нейтрино совместно. Однако, открытие, связанное с нейтрино, исходящими из блазара, не сопровождалось столь выраженным гравитационным сигналом – это всего лишь материя, поглощаемая черной дырой. Черная дыра присутствует в этом процессе и не подвергается на него воздействия: это массивная черная дыра, в которую падает небольшое количество материи, что приводит к излучению света и нейтрино, но генерирует крайне незначительное количество гравитационных волн. Для регистрации гравитационных волн необходима нейтронная звезда, поглощаемая черной дырой, либо слияние двух нейтронных звезд – нечто подобное, находящееся в подходящем месте и при определенных условиях. Возможно, взрыв сверхновой. Технологии и телескопы постоянно совершенствуются, поэтому мы надеемся на возможность наблюдения таких явлений.
— Спасибо, что прояснили этот момент. Поговорим о LIGO и работе этого эксперимента. Согласно общей теории относительности, для наблюдателя объект, пересекающий горизонт событий, кажется застывшим во времени на самой его границе и в конечном итоге исчезает из-за красного смещения. LIGO зафиксировало слияние двух черных дыр. Как нам удается наблюдать такое событие, если с точки зрения наблюдателя в черную дыру ничего не падает?
— Мы обычно представляем себе черную дыру как область пространства, характеризующуюся горизонтом событий и прочими особенностями. Простейшее определение черной дыры заключается в том, что пересечение горизонта событий означает невозможность возвращения. Это можно сравнить с дорогой, по которой можно двигаться только в одном направлении. В связи с этим возникает вопрос: как вообще можно получить информацию о черных дырах, если из них ничто не может вырваться? Ответ заключается в том, что за пределами черной дыры существует гравитационное поле, а возможно, и магнитное поле. Вне черной дыры находится нечто, что доступно нашему наблюдению. И когда гравитационное поле претерпевает изменения, мы фиксируем эти изменения. При слиянии двух черных дыр они деформируются, растягивают друг друга по мере приближения и генерируют гравитационные волны. Таким образом, в отношении черной дыры следует учитывать не только горизонт событий и то, что находится внутри нее, но и окружающее гравитационное поле. Именно эта часть создает видимые эффекты, которые мы можем измерять с помощью телескопов.
— Это объясняет многое. Но давайте вернемся к квантовой механике. В 2018 году эксперимент ATLAS в ЦЕРН сообщил об распаде бозона Хиггса на b-кварки. Каковы последствия этого открытия для современной науки?
— Таким образом, мы можем углубить свои знания о Стандартной модели физики элементарных частиц. Возможно, это звучит не слишком увлекательно: Стандартная модель физики частиц – однако ее создавали постепенно, на протяжении многих лет, и теперь мы, наконец, начинаем ее постигать. А открытие бозона Хиггса в 2012 году стало завершающим штрихом. Любые новые частицы, которые нам удастся обнаружить, выйдут за пределы Стандартной модели. До настоящего момента мы не находили частиц, которые бы не являлись ее компонентами. Однако нам предстоит еще многое сделать, чтобы полностью разобраться во всех аспектах Стандартной модели. В ней представлено огромное количество частиц: существует шесть типов кварков – частиц, участвующих в сильном взаимодействии, – из которых состоят протоны и нейтроны; шесть видов лептонов, представляющих собой более легкие и быстродвижущиеся частицы, такие как нейтрино и электроны; бозон Хиггса, а также частицы, отвечающие за передачу сил, например, фотоны, глюоны и W- и Z-бозоны.
Эти элементы демонстрируют сложные взаимосвязи. Фотоны взаимодействуют посредством электромагнитного взаимодействия – здесь все достаточно просто и наглядно. Бозон Хиггса проявляет разную степень воздействия на каждую из частиц, входящих в Стандартную модель. Нам важно наблюдать, как эти частицы распадаются, как они порождают друг друга, как расщепляются на два различных компонента и тому подобное. Вся эта совокупность явлений описывается Стандартной моделью, и если хотя бы один из элементов не соответствует ожидаемым значениям, если результаты измерений оказываются несовместимы с другими полученными данными, это будет свидетельствовать о наличии новой физики, выходящей за рамки Стандартной модели.
Тщательная проверка всех предсказаний Стандартной модели с использованием различных методов является значимой задачей. На данный момент все полученные результаты демонстрируют соответствие: «Да, все верно! Это то, что предсказывает Стандартная модель!». Подобные результаты не совершат революции, однако они крайне важны для подтверждения правильности выбранного направления.
— Мэтью Лейфер из Университета Шампена и Мэтью Пьюзи, работающий в Институте теоретической физики «Периметр», представили теорию, связывающую ретропричинность и квантовую запутанность. Согласно их предложению, состояние одной частицы, определяемое в настоящем, оказывает воздействие на характеристики ее связанной частицы в прошлом?
— Я доволен тем, что они этим занимаются. Как я уже отмечал, у нас не всегда одинаковое представление о сути того, что нам повествует квантовая механика. Существуют различные альтернативные подходы, и мы относимся ко всем с одинаковым уважением, однако в научном сообществе пока нет единого мнения о том, какая из них является правильной. Я склоняюсь к многомировой интерпретации квантовой механики. Я не утверждаю, что она безоговорочно верна, но полагаю, что это одна из наиболее вероятных версий. Если появятся какие-либо доказательства в пользу других интерпретаций, я изменю свою точку зрения. Мэтью (Лейфер. — Прим. авт.) считает, что многомировая интерпретация неверна, он ищет что-то более близкое к эпистемической версии квантовой механики, которая говорит о том, что волновая функция (которую я считаю реальностью) — лишь способ суммирования нашего знания о реальности, поэтому должно быть что-то другое, являющееся реальностью.
По его мнению, волновая функция представляет собой лишь способ вычисления вероятностей различных исходов эксперимента. Разработка эпистемического подхода к квантовой механике является непростой задачей. Специалисты в области физики частиц, выполняющие расчеты на Большом адронном коллайдере, касающиеся бозонов Хиггса и верхних кварков, не рассматривают это в терминах ретропричинности и эпистемических волновых функций; они полагают, что волновая функция – это реальное явление, и проводят вычисления для получения верного результата.
Для меня сам факт того, что кто-то задумывается о ретропричинности, о передаче информации в прошлое, говорит о возможности её исследования. Я не вижу причин считать, что это естественный процесс. Мне кажется, что существуют более очевидные объяснения всем наблюдаемым явлениям и результатам экспериментов.
— Наши читатели направили нам большое количество вопросов после объявления об интервью с вами. Мы выбрали несколько наиболее интересных. Первый из них: проводятся ли какие-либо исследования или разработаны ли теории, касающиеся поглощения темной материи черными дырами и того, как ее распределение связано с крупномасштабной структурой Вселенной? Может ли она под действием гравитации самостоятельно перетекать в черные дыры?
— Темная материя, несомненно, способна поглощаться черными дырами. В нынешней Вселенной черные дыры занимают относительно небольшие объемы по сравнению с общим пространством. Вероятность того, что одиночная частица темной материи, перемещающаяся в межзвездном пространстве, неожиданно попадет в черную дыру, крайне низка. В космосе наблюдается ограниченное количество черных дыр. Обычная материя может падать в черные дыры благодаря взаимодействию с ними – она излучает свет и тепло, рассеивается и также может терять энергию, приводя к ее поглощению. Частица темной материи, скорее всего, просто проскользнет мимо. Для того чтобы темная материя оказалась внутри черной дыры, ей необходимо прямое столкновение с ней, в то время как она может в течение длительного периода времени падать в нее по спиральной траектории.
— Я определяю свой атеизм как «поэтический натурализм». Позвольте мне пояснить, что это значит. В чем заключается уникальность моей точки зрения?
— Я не вижу в нём ничего уникального. Более того, я не являюсь новатором в использовании этого термина. Сам термин оригинален, но не лежащая в его основе концепция. Натурализм – это идея о том, что мир естественен и подчиняется законам физики, которые можно выявить посредством научных экспериментов, однако у Вселенной нет дополнительной, сверхъестественной и нематериальной составляющей. «Поэтический» подразумевает, что существует множество способов описания Вселенной. Мы можем рассуждать о ней на языке фундаментальной физики или же на языке биологии и химии, которые существенно различаются, но должны быть согласованы с языком физики. И мы можем говорить о ней на языках эстетики и морали, обсуждать вопросы правильного и неправильного – на языке красоты и наслаждения. И все это, опять же, должно быть согласовано с другими системами, но не обязательно ими определяется. Может возникнуть внешнее суждение, когда мы говорим о том, что, например, является хорошим или плохим.
— В статье «Спонтанная инфляция и происхождение стрелы времени» вы выдвигаете предположение о возможности обратного течения инфляции. Возможна ли фиксация или восприятие подобных явлений в реальном мире?
— Я написал книгу «Вечность» (в оригинале — From Eternity to Here. — Прим. авт.) , в ней я рассказываю именно об этом. Это крайне гипотетический сценарий, напоминающий концепцию Мультивселенной, истинность или ложность которого нам не поддается, однако, возможно, со временем мы усовершенствуем наши знания, разработаем теории – и в конечном итоге сможем это установить. Я пытался объяснить дисбаланс, наблюдаемый во Вселенной. Прошлое и будущее не идентичны. В чем причина? Дело в том, что с течением времени могут возникать новые вселенные вследствие случайных квантовых колебаний: если выделить участок пространства и отделить его, он станет самостоятельным, обособленным фрагментом пространства. И этот процесс может происходить в обоих направлениях времени, что приводит к тому, что Вселенная со временем порождает все больше и больше мини-вселенных, которые впоследствии развиваются в полноценные вселенные. Если проследить время назад – к периоду, предшествовавшему Большому взрыву, – станет ясно, что и тогда рождались вселенные, но другим способом.
Мы не имеем возможности наблюдать за этим, поскольку существует небольшая вероятность возникновения квантового события, которое породит новую Вселенную. Эта вероятность невелика. Единственным обоснованием для рассмотрения этой гипотезы является колоссальные масштабы пространства-времени. Вселенная будет существовать бесконечно долго, поэтому со временем произойдут даже крайне маловероятные события. Наблюдать за этим вряд ли удастся. Однако мы можем попытаться воспроизвести это в лабораторных условиях и затем проверить, согласуется ли данный сценарий с наблюдаемой нами Вселенной.
— Расширяется ли пространство, или это лишь бесконечная координата?
— Я полагаю, что проблема заключается в языке, который мы используем для описания расширения пространства, особенно в сопоставлении с использованием координат. Если вы настаиваете на использовании языка, в котором пространство не расширяется, то для согласования данных необходимо будет утверждать, что материя сжимается, и каждый атом во Вселенной уменьшается с одинаковой скоростью. Это верно? Безусловно, вы можете действовать по своему усмотрению. Однако это весьма непрактичный подход к пониманию процессов, происходящих во Вселенной. Гораздо проще утверждать, что пространство действительно расширяется.
— Какие последствия открытия несимметричных грушевидных ядер могут иметь для темной энергии, темной материи и энтропии?
— Если говорить коротко, то нет. Это обусловлено тем, что когда речь заходит о направлении времени и различиях между прошлым и будущим, это может проявляться по-разному. Когда я говорю о стреле времени, я имею в виду, что в прошлом энтропия была ниже, а Вселенная – более упорядоченной. Например, можно разбить яйцо, но невозможно обратить этот процесс вспять. Ключевым моментом здесь является необратимость: после разбивания яйца невозможно собрать его обратно. Не столь важно, что является направлением, главное – наличие направленности.
В физике элементарных частиц существует принцип, известный как симметрия обращения времени. Он предполагает, что эксперимент, проведенный в прямом направлении времени, будет выглядеть так же, как и тот же эксперимент, воспроизведенный в обратном направлении. Однако квантовая механика и Стандартная модель физики элементарных частиц вносят коррективы в эту симметрию, нарушая её. Проверка этого нарушения осуществляется с помощью различных методов, включая анализ структуры атомов, их магнитных свойств и прочих характеристик. Все эти аспекты тесно связаны между собой, и существуют различные теоремы, устанавливающие взаимосвязь обращения времени с изменением пространственной ориентации и другими подобными явлениями.
Этот вопрос не связан с направлением времени. Даже если обнаружено нарушение симметрии относительно обращения времени, процесс остается обратимым. События могут протекать в разных направлениях, и способ их протекания отличается в каждом случае. Однако это не позволит получить видимую стрелу времени термодинамического типа, которую необходимо объяснить с космологической точки зрения.
— Я не могу иметь любимые фильмы?
— У меня обширная коллекция любимых фильмов, и я являюсь поклонником научной фантастики. Хочу отметить, что одним из моих самых любимых научно-фантастических фильмов является «Бразилия» Терри Гиллиама, повествующая об антиутопическом будущем. Фильм не отличается оптимизмом, но является весьма достойным.