О том, как воспринимают время космологи, мы говорим с членом-корреспондентом РАН, главным научным сотрудником Института ядерных исследований РАН Дмитрием Сергеевичем Горбуновым.
— Дмитрий Сергеевич, что такое феномен времени с позиции космолога?
— Возможны разные варианты. Поскольку во Вселенной проходят какие-то физические процессы, то можно вводить понятие локального времени, которое отвечает этим процессам — развитию галактик, развитию звезд, развитию звездных систем или галактических систем, галактических скоплений — у всех есть свои эволюционные процессы, а значит можно ввести время — параметр, характеризующий их протекание. В данном случае — время, определенное нашими стандартными локальными часами. В космологии ученые строят некую систему линеек — маленькую линейку, большую линейку, — измеряя расстояния: так же можно пытаться строить систему часов, стартуя от маленьких локальных часов и развивая эту линейку дальше. Часовую как бы. И привязывая эти локальные в космологическом смысле времена к совсем физическим часам, которые у нас работают. Например, атомные часы, с которыми мы привыкли связывать какой-то периодический процесс. Те часы, которыми мы сейчас измеряем земное время, поскольку мы привыкли измерять что-то повторяющимся, периодическим процессом, удобным, потому что обеспечены одинаковые интервалы времени. И мы в обычной физике используем эти часы. Но это обычное время можно распространить на большие расстояния. И пока мы работаем внутри гравитационно-связанных систем, — а самая большая гравитационно-связанная система, это скопление галактик, — мы можем эту линейку времен «протянуть» туда. Мы можем измерять по этому времени возраст звезд, потому что этот возраст, как мы думаем, связан с теми же физическими процессами, которые мы наблюдаем на Земле, и, соответственно, мы можем оценить, как эти процессы будут протекать и когда они закончатся, когда звезда существенно изменит свой внешний вид или состояние. И об этом факте мы можем судить, глядя в телескоп. Конечно, мы принимаем во внимание, что свет от звезд к нам приходит не сразу: если звезды на большом расстоянии, требуется значительное время. Но, если мы пытаемся выйти дальше, — за пределы гравитационно-связанной системы, — то здесь уже надо учитывать, что Вселенная расширяется, и здесь напрямую продлить такое время, как у нас есть, мы не можем без дополнительных предположений о том, как именно Вселенная расширяется: однородно, изотропно и так далее. Это приводит к тому, что мы говорим: ага, есть расширение Вселенной, мы можем измерить этот темп, выразить его в тех единицах измерения, с которыми мы привыкли иметь дело. И здесь есть исторические измерения параметров и интерпретация красного смещения всех удаляющихся от нас гравитационно не связанных объектов в виде эффекта Доплера. Но там просто скорость. Мы измерили, насколько сдвинулась длина волны. Мы считаем, что локальная физика в той системе, из которой был испущен свет, такая же, как у нас, и просто происходит расширение Вселенной — как шарик надувается. С таким предположением сходятся все имеющиеся наблюдения, поэтому это главенствующая сейчас теория. И в этом случае, чтобы что-то измерить, нам нужен какой-то еще источник — в данном случае это источники, которые с нами гравитационно не связаны, они характеризуют расширение Вселенной. Темп расширения Вселенной зависит от времени, в разные эпохи он был разный. А сегодня мы говорим о разных эпохах и разных временах следующим образом. Есть данные о событиях, которые были в истории Земли. Мы можем найти какие-то продукты радиоактивных распадов и по ним понять, когда и как они появились, что было перед ними, и какой был возраст Земли тогда. То же самое мы можем сказать о возрасте метеоритов и прочего. Но если говорить о Вселенной… Мы понимаем: то, что мы сейчас регистрируем, — это свет, который пришел из разных уголков локальной Вселенной.
— И связан с разными во времени событиями…
— Совершенно верно. Мы делаем следующее: смотрим за объектами на разных расстояниях и, предполагая такую картину расширения и постоянство скорости света, понимаем, что как бы наблюдаем локальные истории в разные эпохи. Чем дальше источник — тем раньше была эта эпоха. Таким образом, мы строим линейку времен. Но эта линейка связана с линейкой расстояний напрямую.
Мы ограничены нашим жизненным циклом, но в результате наблюдаем Вселенную в самые разные моменты времени. И тут, конечно, есть предположение о справедливости общей теории относительности на всех временах. Кроме того, мы понимаем, что космологическая стадия, на которой мы сейчас находимся, — ускоренное расширение. Вселенная разлетается все быстрее. С этой точки зрения, если такое расширение будет продолжаться, объекты, которые с нами гравитационно не связаны, удалятся настолько далеко, что в какой-то момент мы перестанем их наблюдать. И всё, что будет вокруг нас, — только гравитационно связанные объекты. Местная группа галактик, локальное скопление. И так будет со всеми условными наблюдателями во всех частях Вселенной: местные группы галактик, гравитационно связанные, останутся, а все остальные разлетятся. В этой ситуации наблюдения за каким-то удаленным объектом уже нельзя будет произвести. И сложно сказать будет, что назвать космологическим временем.
— Сейчас мы такую возможность имеем.
— Да. И можем протянуть цепочку времени от предыдущих эпох. Мы регистрируем реликтовое излучение, измеряем его температуру, понимаем, что оно пришло из более ранней эпохи, когда Вселенная была горячей. Вселенная будет быстро расширяться, масштабный фактор экспоненциально растет. Экспоненциально быстро будут фотоны краснеть, длина волны будет увеличиваться. И пока мы будем их видеть — у нас будет прямое указание на этот процесс. И связь времен будет прослеживаться. Но представьте себе, что мы перестали регистрировать эти фотоны, потому что длины волн стали столь большими, что у нас нет таких приборов, чтобы их зарегистрировать, и эта цепочка связи времен с самого первого момента и дальше пропадет. И тогда вопрос: что такое космологическое время, вызовет отдельную дискуссию. Потому что останутся времена, связанные с локальными звездами. В этом случае время отсчитывается от момента возникновения звезды. Известно, что эта звезда живет примерно такое количество лет по локальной физике — но это отсчитывается от момента образования звезды, как возраст человека отсчитывается от момента его рождения. А вот такой цепочки от условного зарождения Вселенной, когда она была плотной, очень активной, заполненной частицами, до современного момента не будет — эта цепочка прервется.
— К счастью, это проблема космологов очень далекого будущего… Если говорить о нынешнем понимании времени в различных системах — известно, что время в микромире течет иначе, чем у нас. Скажем, в микромире процессы проходят за какие-то доли секунды.
— Но почему время-то течет иначе?
— Квантовая физика говорит о том, что время обратимо.
— И в физике микромира есть процессы, в которых обращение времени не работает, а есть — в которых работает. Выглядит это так, что соответствующие процессы идут с разным темпом. Но есть процессы с нарушением зарядовой четности, пространственного отражения. В электродинамике, например, все хорошо, там ничего не нарушается, если нет примеси слабых взаимодействий. Слабое взаимодействие все портит. Сильное и электромагнитное — с ними всё нормально.
Пока мы не видим, чтобы космологическое время было обратимо. Космология рассматривает пространство, заполненное материей. А мы знаем, что в макроскопических системах нет обратимости времени. Кстати, если говорить про микромир — мы пока не видим внутреннюю структуру тех частиц, которые сейчас называем элементарными. Это по классификации: как только мы видим внутреннюю структуру — частица перестает быть элементарной: мы ее называем составной.
— К примеру, электрон считается элементарной частицей.
— Да, электрон пока считается элементарной частицей. И с частицами действительно так — если мы их в каком-то состоянии запустили, мы видим результат их рассеяния, и мы можем все вернуть назад. Забавно, что это относится даже к ситуации, когда речь идет о распаде элементарной частицы без внутренней структуры — например, мюона. Его время жизни микросекунда — и вот вроде бы неотразимая стрела времени и ее характерный масштаб. Но мы можем обернуть процесс — столкнуть частицы и создать из них одну элементарную, но нестабильную — так рождали Z-бозон на коллайдере LEP в аннигиляции электрон-позитронных пар с точно подобранными энергиями.
Но с точки зрения физики для наблюдателя есть локальное время. Мы можем пытаться определить время внутри системы — и привязать его к поведению этой системы. Есть квантовый переход между состояниями, в результате чего система изменяется, — значит, можно ввести время. Но вот в дальнейшем происходит обратный процесс, микроскопическая система возвращается в исходное состояние. Мы наблюдаем, что начальное и конечное состояние легко поменялись местами, это может продолжаться очень долго — в частности, благодаря этому удалось построить атомные часы, потому что переходы туда и обратно происходят бесконечно — в микроскопической системе ничего не меняется. Переходы повторяемые, и это мы используем как эталон часов. Но когда мы смотрим на систему извне, производим регистрацию числа переходов, мы не только формально определяем время этим числом, но и видим, что вся полная система меняется, как меняются обычные кварцевые часы — бегут цифры на циферблате, и хотя каждые 24 часа весь набор повторяется вновь, уменьшается заряд батарейки.
С другой стороны, возвращаясь к космологии — то время, про которое я говорил, это локальное время — время внутри нашей системы. Мы не можем выйти за пределы нашей Вселенной. Это время, которое приведено исключительно в терминах параметров системы. Есть гипотеза, что настоящая Вселенная очень большая, и в ней много локальных (видимых локальным наблюдателем) вселенных — есть с такими законами физики, а, возможно, есть и с иными. И мы находимся в одной из них. В каждой вселенной свое локальное время, но в рамках такой гипотезы его в принципе можно привязать ко времени Большой Вселенной. И тогда тот факт, что наша Вселенная стала экспоненциально расширяться, и в ней плотность частичек, с которыми можно ассоциировать какие-то физические процессы, стала чересчур мала — не страшен: с точки зрения гипотетического ученого «из Большой Вселенной», этот факт не помешает продлить «космическое время» в нашу Вселенную. Но «местные ученые» сделать это не могут.
— Почему я упомянул микромир? Не может ли быть так, что в космологических масштабах, в масштабах нашей Вселенной, которой по нынешним оценкам 13,8 миллиарда лет, а это и ее протяженность, время все-таки течет по-другому? И этим объясняются некоторые явления, которые мы пока что объяснить не можем.
— Глобальное время определено как некая переменная, которая характеризует процесс жизни Вселенной. Мы верим в причинно-следственную связь, и правильная переменная, которая может характеризовать время, любая, что эту связь сохраняет. Вы можете от одной переменной к другой переходить — но причинно-следственная связь портиться не должна. Это, конечно, гипотеза, но основанная на многочисленных наблюдениях. Пока мы не увидели, чтобы эта логика нарушалась в природе. В космологии тоже можно вводить разные времена, разные переменные. Гравитацию описывает общая теория относительности, а на больших расстояниях именно гравитационная сила играет основную роль. В общей теории относительности тоже можно менять переменные — физика от замены переменных не меняется. Если говорить о космологических процессах — космологические времена можно ввести разные, но локальные времена в разные эпохи можно привязать к определенным физическим процессам, которые тогда протекали, и темп этих процессов мы знаем из современной физики. В предположении, что «время текло так же, как и сегодня» можно получить предсказания для некоторых современных наблюдаемых процессов, и эти предсказания великолепно подтверждаются.
— Реликтовое излучение!
— Да. Это то, что мы реально наблюдаем. То, что было до этого — мы в фотонах наблюдать не можем. Мы это наблюдаем, например, по химическому составу: гелий, дейтерий, водород — они образовались в еще более раннюю эпоху.
— Общая теория относительности неоднократно подтверждена, более того — она уже применяется практически. По крайней мере, в спутниковых системах ГЛОНАСС и GPS точное определение местоположения возможно только с учетом эффектов общей теории относительности. Я опять перехожу к проблеме времени. Этот эффект, когда часы на корабле, движущемся со скоростью, близкой к световой, и полный их близнец, оставшийся на Земле — идут, как идут, но когда корабль возвратится — мы увидим существенную разницу в показаниях. Это связано с некой природой времени? Если мы говорим о времени как о некой длительности — получается, что за счет эффектов теории относительности длительность практически меняется, хотя наблюдателями в корабле и на Земле время воспринимается одинаково. Вроде бы те же секунды — а на самом деле это другие секунды. В этой связи я вот что хочу спросить — а все-таки, что же такое время? Только длительность или нечто большее? Какова природа этого феномена? Существуют ли кванты времени? Мы сейчас говорим про кванты гравитации. А можно ли с этой позиции попытаться описать время? Возможно, в виде некой квантовой теории времени. Или это просто некая длительность, и не более того?
— С квантами гравитации, действительно, проблема. Фотон — это квант света, мы к этому привыкли. Он локализован, он перемещается в пространстве и времени. Если мы говорим о квантовании гравитации, как об обобщении классической общей теории относительности, то естественные переменные, которые это описывают — в данном случае пространственно-временные величины, — их нужно сделать квантовыми. Поскольку в обычных квантовых теориях поля все частицы распространяются на классическом фоне пространства и времени — даже на качественном уровне не очень понятно, как их связать. На эту тему были высказаны гипотезы. Есть теории, которые выглядят как квантовые гравитационные идеи, но в них очень далеко до того, чтобы получить в каком-то пределе классическую гравитацию. Соответственно, имеют они отношение какое-то к жизни, не имеют — не очень понятно. Есть идеи, которые не выдерживают никакой критики с точки зрения остальных квантовых теорий. И пока не очень понятно, что делать. Например, при квантовании есть такие квантовые переменные и их сопряженные: координата, импульс. В данном случае будут: время, энергия. Если мы ввели квант времени, ему в соответствие надо вводить квант энергии. Если мы говорим о космологическом времени, квант энергии — это должно быть что-то совсем странное: плотность энергии Вселенной. Это же не энергия частицы — это будет энергия какого-то пространства. Есть попытки проработать эту тему. Но теорий, которые можно было бы предъявить, пока что нет.
Вернемся к космологическому времени. Здесь многое зависит от глобальной картины. Например, есть попытки построения моделей циклической Вселенной. Возьмем теорию Горячего Большого взрыва. Эта модель стартует в неких сингулярных начальных условиях. Везде, во всех точках пространства-времени, даже если пространство плоское. Формально в начальный момент мы имеем бесконечную плотность энергии. Можно от нее отступить — пусть будет конечная, но очень большая. И это по-прежнему обеспечит нормальное решение.
Эту часть «истории» Вселенной нужно склеить с тем, что было до того. Если ни с чем не склеивать, то формально всё начинается в момент Большого взрыва. И мы имеем классическое описание, в котором у нас есть классическое время и прочее. А что было до того в той гипотетической Большой Вселенной, квантовое время или нечто иное, шел ли другой процесс, при котором Вселенная сжимается, плотность ее увеличивается, непонятно. Хотя такие решения даже в рамках общей теории относительности есть. Мы наблюдаем, например, что при приближении к сингулярности пространство становится существенно неизотропным. Соответственно, начальные условия не совсем такие, как те, что мы сейчас обсуждаем в рамках стандартного решения, которое называется теорией Большого взрыва. Если говорить о каких-то физических вещах, важен вопрос: что можно было бы наблюдать, что показало бы нам, что такая фаза, такая стадия была? Пока что уверенные наблюдения, которые у нас есть, относят к самой ранней эпохе фазу образования первичных химических элементов: водород, гелий. По тем часам, которые мы протянули до наших современных часов с момента гипотетического Большого взрыва, это от одной секунды до 300 секунд. Это эпоха, про которую мы знаем. Относительно того, что было в период до одной секунды, есть только гипотезы. Они вроде бы вполне реалистичные, но прямого экспериментального наблюдения, подтверждающего ту или иную гипотезу, у нас нет.
— Мы знаем то, что происходило в период от одной секунды до трехсот секунд.
— Знаем, то есть, можем надежно объяснить и описать. А то, что было до одной секунды, не знаем.
— Знаем за счет изучения распределения химических элементов во Вселенной?
— Да. Водорода, гелия, дейтерия, лития. Правда, есть проблемы с литием — его не совсем столько, сколько нужно.
— Как эти наблюдения проводились? Они же не охватывают всю Вселенную. Речь идет о том, что мы эти данные получили в относительной близости от нас. Мы же не можем узнать о распределении этих элементов по далеким объектам.
— Тут главное — узнать о распределении этих элементов в областях, где не было интенсивного звездообразования. Потому что было два этапа их возникновения. Первый — это первичный, имевший место в ранней Вселенной. А второй — за счет эволюции звезд. И надо искать такие облака во Вселенной, где сохранился первоначальный состав.
— Области, которые, в соответствии с имеющимися данными, не участвовали в процессе звездообразования.
— Да. Кроме того, мы знаем, например, что концентрация гелия остается постоянной еще долгое время после нуклеосинтеза. Гелия много, по массовому составу 25%. Но соотношение гелия к водороду мы можем измерять по наблюдениям и в эпоху реликтового излучения. По анизотропии реликтового излучения есть некоторые наблюдаемые данные, из которых можно оценить отношение гелия к водороду. Они относятся к той эпохе, не сегодняшней. Что касается наблюдений межзвездных облаков, выбирают разные, аргументируя, почему именно эти. Есть аргументы, вполне понятные на качественном уровне. Например, дейтерий — очень слабо связанный. Если бы процесс звездообразования шел, имело бы место интенсивное излучение, и дейтерий развалился бы. Соответственно, ищут облака, в которых дейтерия максимальное количество. А с гелием‑4 — всё наоборот: его так просто не развалишь, но он легко образуется, поэтому ищут облака, в которых гелия‑4 как можно меньше. Все эти наблюдения — и астрофизические, и космологические одновременно. К каждому наблюдению могут быть вопросы, но совокупность разного типа наблюдений подтверждает правильность подхода.
— Я прошу вас уточнить вот что: для обычного человека секунда — ничто. Раз, и прошла. А для космологов речь идет об очень длительном периоде, за который много чего должно было произойти. Имеется в виду первоначальная секунда. Что должно было случиться за этот минимальный для нас отрезок времени?
— В ту эпоху Вселенная была заполнена плазмой элементарных частиц, которые мы знаем — если считать, что мы знаем всю физику частиц, все взаимодействия между частицами, представляем себе, как они устроены. Если продлевать от нуля условную секунду — в самом начале была очень большая плотность энергии Вселенной, потом в какой-то момент возникли частицы. Мы не знаем — в чем была энергия. Если говорить о совсем ранних временах — это плотность энергии порядка планковской, гравитационной, гравитация должна быть квантовой, что делать — не знаем. Но возьмем несколько меньшую энергию. В ту эпоху, по уравнениям общей теории относительности, Вселенная должна была расширяться так быстро, что частицы в плазме даже не успевали провзаимодействовать. Они летели друг к другу, хотели «встретиться» — но Вселенная, расширяясь, всё время их удаляла друг от друга. Вселенная продолжает расширяться, плотность энергии быстро падает, и в какой-то момент эти взаимодействия вошли в равновесие и образовали плазму. Это облако всех возможных частиц, они рождаются и аннигилируют в столкновениях, и только температура характеризует эту среду. Вселенная продолжает расширяться, температура падает настолько, что в какой-то момент происходит электрослабый переход, и частицы — например, электрон — приобретают массу.
— До этого массы у частиц не было?
— Не было. Это хиггсовский механизм — за открытие одноименной частицы — бозона Хиггса — несколько лет назад дали Нобелевскую премию. Срабатывает механизм, как, например, в каком-то магнетике: была горячая среда, все магнитные стрелки были хаотически разбросаны — полная симметрия. В какой-то момент температура упала настолько, что эти стрелки остановились, выстроившись каким-то случайным образом: здесь они смотрят налево, здесь — направо. Симметрия нарушилась. В результате аналогичного процесса частицы приобрели массу. Эта масса еще очень маленькая, если говорить об электроне, маленькая по сравнению с энергией частиц в той плазме. Но у них уже есть масса, и это очень важно, ведь атом водорода не образовался бы, если бы электрон был безмассовый.
Вселенная продолжает расширяться, и в какой-то момент образуются протоны и нейтроны. До этого летали свободные кварки — частицы, которые мы считаем элементарными, потом они собрались в протоны и нейтроны — составные частицы. Это произошло все еще до истечения одной секунды. Вселенная расширяется, температура падает, для рождения некоторых частиц уже недостаточно энергии в столкновениях, и если они нестабильные, то исчезают из плазмы. Такова учесть большинства частиц стандартной модели, большая их часть распадается за счет слабых взаимодействий на более легкие. И последний процесс перед нуклеосинтезом — когда в плазме перестают взаимодействовать частицы, которые называют нейтрино. Они участвуют только в слабых взаимодействиях. Итак, последний процесс перед началом нуклеосинтеза — процесс отщепления нейтрино. Они по-прежнему релятивистские — но их взаимодействия настолько слабые, что они перестают взаимодействовать с частицами в плазме. Потом электроны с позитронами аннигилируют — позитроны пропадают, остаются только электроны. И вот у нас среда, в которой есть электроны, нейтроны, протоны и фотоны. Нейтрино с ними не взаимодействуют. И в этой среде начинается процесс формирования ядер: протоны, нейтроны и фотоны здесь главные действующие лица. Ядра и образовавшиеся вслед за тем атомы, собственно говоря, создали всё вещество во Вселенной.
Беседу вел Игорь Харичев
Источник: журнал Знание-сила