как найти объем в физике

Падение антиматерии «закрыло» антигравитацию

Хотя итоги нового эксперимента совпали с общими предсказаниями теории Эйнштейна, по ряду причин полученный результат не был очевиден заранее. Экспериментальные данные впервые позволили решить столь важный вопрос окончательно.

Часть установки ALPHA-g, использованной в новом эксперименте

Принцип слабой эквивалентности сил гравитации и инерции Общей теории относительности Эйнштейна указывает, что все объекты, вне зависимости от их массы или конкретного состава, должны падать в гравитационном поле в одном направлении. Другой вывод просто несовместим с видением гравитации в ОТО.

Однако на протяжении десятков лет целый ряд физиков пытались выдвигать иные предположения — основывая свои попытки на том, что ОТО обладает, на их взгляд, некоторыми слабостями. Первой стало предсказание состояния сингулярности (при котором физические законы не работают, а время не течет) в момент старта Большого взрыва. Вторым многие посчитали отсутствие квантовой теории гравитации — из-за моды на квантовый подход этим ученым казалось, что и гравитация должна быть описана с таких позиций, хотя сам Эйнштейн подобное мнение не разделял.

В этом смысле возможность установить, ведет ли себя антиматерия так, как предсказывает его теория или как предполагали многие сторонники создания квантовой теории гравитации, имела очень большое значение. Если антивещество «падает» вверх, то основные постулаты ОТО нуждаются в корректировке, либо, как это формулируют иные исследователи, «перед нами открывается дорога для Новой физики».

Было и множество гипотез «с практическим уклоном» — о том, что антивещество будет отталкиваться обычной гравитацией, на основе чего можно будет создать «антигравитационные машины». В XX веке в США была даже правительственная программа, исследующая такую возможность.

На практике прояснить вопрос оказалось исключительно сложно: антиматерию трудно создать и изолировать от обычной так, чтобы удерживающие ее при этом магнитные поля не «зашумляли» воздействие гравитации на античастицу.

В 2018 году специальная группа при ЦЕРН запустила ALPHA-g — специализированную магнитную ловушку для атомов антиводорода, созданную именно для проверки такой возможности. Атомы антивещества — антиатомы — сперва «подвешивали» в вакуумной камере, а потом так отключали действующие на них магнитные силы (они же силы, удерживающие атом в пустоте), чтобы можно было непосредственно увидеть, куда же падает антивещество.

Для этого установка использовала мощный источник античастиц:

По расчетам, в случае правоты принципа слабой эквивалентности ОТО 20 процентов всех пойманных в ловушку атомов антиводорода должно было покидать ее через верх, а 80 процентов — через низ. Именно так и произошло в не раз повторенных экспериментах.

Таким образом, международной группе исследователей удалось зафиксировать, что движение антивещества в цилиндре происходит точно как у обычных атомов — вниз, а не вверх. Это сразу закрывает гипотезы «антигравитации».

В то же время, отметили авторы новой работы в журнале Nature, остается неясным, насколько сильно антивещество притягивается гравитацией Земли. С точки зрения ОТО это должно происходить точно так же, как для обычного вещества. Но пока точности наблюдений ALPHA-g не хватает, чтобы подтвердить это экспериментально. Ученые надеются добиться такого результата в будущем.

От того, насколько верна ОТО, фактически зависит не только наше понимание поведения антивещества, но и вся картина Вселенной. Сейчас уже ясно, что прежняя идея о некоей сингулярности в момент Большого взрыва нерабочая. Однако, варианты решения этой проблемы сильно различаются между собой. Часть физиков пытаются решить ее с позиций квантовой механики, а часть, напротив, с позиций теории относительности Эйнштейна.

Статья спизжена отсюда

Физики решили «проблему Фейнмана» об инвертированном разбрызгивателе. Ответ очевидный, а вот объяснение — нет

В какую сторону будет вращаться обычный садовый опрыскиватель, если поток жидкости в нем обернуть вспять? Ответ на этот вопрос выглядит абсолютно очевидным. И он всегда разный в зависимости от степени понимания отвечающим физики протекающих процессов. Поэтому неудивительно, что загадка об инвертированном разбрызгивателе занимала лучшие умы человечества многие десятилетия. К счастью, американские ученые наконец-то теоретически и экспериментально обосновали по-настоящему правильное ее решение.

Разбрызгиватель, работающий в инвертированном режиме (вода движется к центру устройства через трубки-сопла внутрь). Хорошо видны формирующиеся внутри него вихри разного размера и направления

Для начала стоит упомянуть, что проблема инвертированного разбрызгивателя — наглядная иллюстрация закона Стиглера: Ричард Фейнман лишь популяризовал загадку, но сформулировал ее далеко не первым. Наиболее раннее упоминание этого теоретического вопроса встречается в труде The Science of Mechanics (1883 год) небезызвестного Эрнста Маха, именем которого названо число Маха. Экспериментальные попытки определить, в какую сторону будет вращаться инвертированный разбрызгиватель, стали предпринимать примерно с 1940-х годов.

Имя Фейнмана с этой задачей связано следующим образом. Во-первых, когда он услышал обсуждение проблемы инвертированного разбрызгивателя (как раз в 1940-е) коллегами-аспирантами, предложил провести эксперимент. И не где-нибудь, а в помещении циклотрона Принстонского университета. Опыт закончился феерично: задействованный в процессе стеклянный бак разорвало от избыточного давления. Результат оказался спорным, разбрызгиватель сначала немного дернулся вокруг своей оси, а затем замер и больше не двигался. Хотя вода через него продолжила проходить.

Во-вторых, именно Фейнман познакомил широкую публику с проблемой инвертированного разбрызгивателя. Она упоминается в его автобиографической книге «Вы, конечно, шутите, мистер Фейнман» (1985 год). Хотя в среде популяризаторов науки и ученых эта задача и ранее ассоциировалась с его фамилией, чем гениальный физик явно не был доволен. Он справедливо указывал, что лавры первооткрывателя принадлежат не ему, а Маху.

60-дюймовый циклотрон в Лаборатории радиации им. Лоуренса Калифорнийского университета в Беркли

Упрощенно суть проблемы заключается в следующем. Полностью погрузим садовый S-образный вращающийся разбрызгиватель в большую емкость и попробуем откачать через него воду. В какую сторону будет вращаться разбрызгиватель и будет ли он это делать вообще? Возможных решений три:

1 - Он будет вращаться в сторону, противоположную «обычному» режиму разбрызгивания: вода же всасывается, следовательно, на срезе сопел возникает разрежение. Это объяснение наименее полное с точки зрения физики, но интуитивно кажется самым логичным.

2 - Он будет вращаться в ту же сторону, что и «обычный» разбрызгиватель: увлекаемая в него вода передает часть крутящего момента на изгибающееся сопло. Этот вариант требует как можно меньшего трения во всех вращающихся деталях разбрызгивателя.

Разбрызгиватель, работающий в режиме обычного опрыскивателя (вода движется от центра устройства через трубки-сопла наружу)

На протяжении последнего полувека различные исследователи проводили эксперименты, чтобы определить, какой из этих вариантов соответствует действительности. Но результаты были всегда неоднозначные. Даже в тех случаях, когда трение движущихся частей разбрызгивателя удавалось снизить практически полностью, он либо стоял на месте, либо едва заметно вращался в противоположную сторону. Полноценного ответа найти не получалось.

За решение эпохальной задачи взялась лаборатория прикладной математики Курантовского института математических наук (NYU Courant: Institute) — независимого подразделения Нью-Йоркского университета. В ней уже не раз отвечали на животрепещущие вопросы «жизни, Вселенной и вообще»: в 2018 году нашли рецепт идеальных мыльных пузырей, в 2021-м объяснили формирование загадочных каменных лесов, а в 2022-м изучили нюансы аэродинамики планеров с тончайшими крыльями (что позволяет делать самые эффективные бумажные самолетики). Новая научная работа плодотворной исследовательской организации опубликована в рецензируемом журнале Physical Review Letters.

Чтобы во всех деталях изучить происходящее с инвертированным разбрызгивателем, ученым пришлось попотеть. Сначала они создали наиболее полную модель устройства, провели все необходимые вычисления и рассчитали разные варианты развития событий в эксперименте. Для опыта исследователи собрали такую установку, в которой не только минимизировано трение, но и устранены возможные возмущения от потоков жидкости вокруг самого разбрызгивателя.

Во время эксперимента использовали не обычную воду — в нее добавили отражающие микрочастицы, которые ярко светились в лучах подсвечивающего лазера. Так получилось наглядно увидеть поток жидкости и все возникающие в нем турбулентности. Результатом экспериментов и моделирования стала удивительная картина: инвертированный разбрызгиватель действительно будет крутиться в сторону, противоположную «обычному» режиму работы. Только в 50 раз медленнее. Самое удивительное, что обнаружили исследователи: механизм этого вращения полностью идентичен таковому у «правильного», не инвертированного разбрызгивателя. И его секрет кроется в том, что происходит внутри устройства.

Схема эксперимента: (a) — разбрызгиватель в разрезе (он способен работать и в обычном и в инвертированном режиме); (b) — чертеж всей установки; (c) — иллюстрация, показывающая метод визуализации турбулентных потоков (в плоскости трубок-сопел работает «лазерная завеса», которая подсвечивает отражающие микрочастицы, двигающиеся вместе с водой)

Дело в том, что при всасывании воды, трубки-сопла тоже формируют струи, только не снаружи разбрызгивателя, а внутри. Даже если они расположены строго на противоположных сторонах кольца и оси их параллельны, получившиеся струи не обязательно столкнутся в центре. Ведь сопла изгибаются, меняют направление движения воды, а она, в свою очередь, получает от этого дополнительный импульс. И когда покидает трубку, часть этого импульса заставляет поток отклоняться от прямолинейной траектории.

В результате внутри разбрызгивателя возникает несколько вихрей, вращающихся в противоположные стороны. Но их размер, а вместе с тем скорость и объем вовлеченной воды, не одинаковый. Это приводит к неравномерному распределению момента силы в разных направлениях. И устройство вращается.

Вывод исследования можно кратко сформулировать так: будет ли фейнмановский разбрызгиватель вращаться и если да, то в какую сторону, — в первую очередь зависит от внутренней геометрии этого разбрызгивателя. В общем случае он будет едва заметно вращаться в обратную сторону, но если трение в его деталях велико, то это движение зафиксировать трудно.

Статья спизжена отсюда

"There is no closed-form solution of the Three-body problem".

Поиск ресурсов для поиска книг

Я конечно все понимаю, но это уже пиздец, понабрали гуманитариев на работу блять.

Занимательная ядерная физика

Приглядывайте за инженерами — они начинают с сеялки, а заканчивают атомной бомбой.

Марсель Паньоль

Ядерная физика — одна из самых скандальных областей почтенной естественной науки. Именно в эту область человечество на протяжении полувека бросало миллиарды долларов, фунтов, франков и рублей, как в паровозную топку опаздывающего поезда. Теперь поезд, похоже, уже не опаздывает. Бушующее пламя сгорающих средств и человеко-часов утихло. Попробуем вкратце разобраться, что же это за поезд под названием «ядерная физика».

Как известно, все сущее состоит из атомов. Атомы, в свою очередь состоят из электронных оболочек, живущих по своим умопомрачительным законам, и ядра. Классическая химия совершенно не интересуется ядром и его личной жизнью. Для нее атом — это его электроны и их способность к обменному взаимодействию. А от ядра химии нужна только его масса, чтобы рассчитывать пропорции реагентов. В свою очередь, ядерной физике глубоко плевать на электроны. Ее интересует крохотная (в 100 тысяч раз меньше радиуса орбит электронов) пылинка внутри атома, в которой сосредоточена практически вся его масса.

Что мы знаем о ядре? Да, оно состоит из положительно заряженных протонов и не имеющих электрического заряда нейтронов. Впрочем, это не совсем верно. Ядро — это не горсточка шариков двух цветов, как на иллюстрации из школьного учебника. Здесь работают совсем другие законы под названиемсильное взаимодействие, превращающие и протоны, и нейтроны в какое-то неразличимое месиво. Однако заряд этого месива в точности равен суммарному заряду входящих в него протонов, а масса — почти (повторяю, почти) совпадает с массой нейтронов и протонов, из которых состоит ядро.

Кстати, количество протонов неионизированного атома всегда совпадает с количеством электронов, имеющих честь его окружать. А вот с нейтронами дело не так просто. Собственно говоря, задача нейтронов — стабилизировать ядро, поскольку без них одноименно заряженные протоны не ужились бы вместе и микросекунды.

Возьмем для определенности водород. Самый обычный водород. Его устройство до хохота просто — один протон, окруженный одним орбитальным электроном. Водорода во Вселенной навалом. Можно сказать, что Вселенная состоит в основном из водорода.

Теперь аккуратно добавим к протону нейтрон. С точки зрения химии это все равно водород. А вот с точки зрения физики уже нет. Обнаружив два разных водорода, физики забеспокоились и тут же придумали называть обычный водород протием, а водород с нейтроном при протоне — дейтерием.

Наберемся наглости и скормим ядру еще один нейтрон. Теперь у нас еще один водород, еще более тяжелый — тритий. Он, опять же, с точки зрения химии практически не отличается от двух других водородов (ну, разве что в реакцию теперь вступает чуть менее охотно). Сразу хочу предупредить — никакими усилиями, угрозами и увещеваниями вы не сможете добавить к ядру трития еще один нейтрон. Здешние законы куда более строги, чем человеческие.

Итак, протий, дейтерий и тритий — это изотопы водорода. Их атомная масса различна, а заряд — нет. А ведь именно зарядом ядра определяется местоположение в периодической системе элементов. Потому и назвали изотопы изотопами. В переводе с греческого это означает «занимающие одно и то же место». Кстати говоря, всем известная тяжелая вода — это та же вода, но с двумя атомами дейтерия вместо протия. Соответственно, сверхтяжелая вода содержит вместо протия тритий.

Давайте взглянем снова на наши водороды. Так... Протий на месте, дейтерий на месте... А это еще кто? Куда делся мой тритий и откуда здесь появился гелий-3? У нашего трития один из нейтронов явно соскучился, решил сменить профессию и стал протоном. При этом он породил электрон и антинейтрино. Потеря трития — это, конечно, огорчительно, но зато мы теперь знаем, что он нестабилен. Кормежка нейтронами даром не прошла.

Итак, как вы поняли, изотопы бывают стабильные и нестабильные. Стабильных изотопов вокруг нас полно, а вот нестабильных, слава богу, практически нет. То есть они имеются, но в настолько рассеянном состоянии, что добывать их приходится ценой очень большого труда. К примеру, уран-235, который доставил столько нервотрепки Оппенгеймеру, составляет в природном уране всего лишь 0,7%.

Здесь все просто. Периодом полураспада нестабильного изотопа называется промежуток времени, за который ровно половина атомов изотопа распадется и превратится в какие-то другие атомы. Уже знакомый нам тритий имеет период полураспада 12,32 года. Это — достаточно короткоживущий изотоп, хотя по сравнению с францием-223, у которого период полураспада составляет 22,3 минуты, тритий покажется седобородым аксакалом.

Никакие макроскопические внешние факторы (давление, температура, влажность, настроение исследователя, количество ассигнований, расположение звезд) не влияют на период полураспада. Квантовая механика нечувствительна к подобным глупостям.

Соблюдая историческую последовательность, рассмотрим сначала ядерные бомбы и осуществим свой маленький «Манхэттенский проект». Я не стану утомлять вас занудными методиками разделения изотопов и математическими выкладками теории цепной реакции деления. У нас с вами есть уран, плутоний, прочие материалы, инструкция по сборке и необходимая доля научного любопытства.

Цепная реакция деления

Я уже упоминал, что цепная реакция деления ядер урана была впервые проведена в декабре 1942 года Энрико Ферми. Теперь поговорим о цепной ядерной реакции подробнее.

Все изотопы урана нестабильны в той или иной степени. Но уран-235 — на особом положении. При самопроизвольном распаде ядра урана-235 (его еще называют альфа-распадом) образуются два осколка (ядра других, гораздо более легких элементов) и несколько нейтронов (обычно 2-3). Если образовавшийся при распаде нейтрон ударится о ядро другого атома урана, будет обычное упругое соударение, нейтрон отскочит и продолжит поиски приключений. Но через какое-то время он растратит энергию (идеально упругие соударения бывают только у сферических коней в вакууме), и очередное ядро окажется ловушкой — нейтрон поглотится им. Кстати, такой нейтрон физики называюттепловым.

Посмотрите на перечень известных изотопов урана. Среди них нет изотопа с атомной массой 236. А знаете, почему? Такое ядро живет доли микросекунд, а затем распадается с выделением огромного количества энергии. Это называется вынужденный распад. Изотоп с таким временем жизни даже как-то неловко называть изотопом.

Энергия, выделившаяся при распаде ядра урана-235, — это кинетическая энергия осколков и нейтронов. Если подсчитать общую массу продуктов распада ядра урана, а затем сравнить ее с массой первоначального ядра, то окажется, что эти массы не совпадают — первоначальное ядро было больше. Это явление называется дефектом массы, а его объяснение заложено в формуле E₀=mс². Кинетическая энергия осколков, деленная на квадрат скорости света, в точности будет равна разности масс. Осколки тормозятся в кристаллической решетке урана, рождая рентгеновское излучение, а нейтроны, попутешествовав, поглощаются другими ядрами урана или покидают урановую отливку, где все события и происходят.

Если урановая отливка маленькая, то большая часть нейтронов покинет ее, не успев затормозиться. А вот если каждый акт вынужденного распада вызовет хотя бы еще один такой же акт за счет испущенного нейтрона — это уже самоподдерживающаяся цепная реакция деления.

Соответственно, если увеличивать размер отливки, все большее количество нейтронов станет причиной актов вынужденного деления. И в какой-то момент цепная реакция станет неуправляемой. Но это еще далеко не ядерный взрыв. Просто очень «грязный» термический взрыв, при котором выделится большое количество очень активных и ядовитых изотопов.

Критическая масса

Вполне закономерный вопрос — сколько нужно урана-235, чтобы цепная реакция деления стала лавинообразной? На самом деле не все так просто. Здесь играют роль свойства расщепляющегося материала и отношение объема к поверхности. Представьте себе тонну урана-235 (сразу оговорюсь — это очень много), которая существует в виде тонкой и очень длинной проволоки. Да, нейтрон, летящий вдоль нее, разумеется, вызовет акт вынужденного распада. Но доля нейтронов, летящих вдоль проволоки, окажется настолько малой, что говорить о самоподдерживающейся цепной реакции просто смешно.

Поэтому условились считать критическую массу для сферической отливки. Для чистого урана-235 критическая масса составляет 50 кг (это шарик радиусом 9 см). Сами понимаете, такой шарик долго не просуществует, впрочем, как и те, кто его отлили.

Если же шарик меньшей массы окружить отражателем нейтронов (для него прекрасно подходит бериллий), а в состав шарика ввести материал — замедлитель нейтронов (вода, тяжелая вода, графит, тот же бериллий), то критическая масса станет гораздо меньшей. Применяя наиболее эффективные отражатели и замедлители нейтронов, можно довести критическую массу до 250 грамм. Этого, к примеру, можно достигнуть, если поместить в сферическую бериллиевую емкость насыщенный раствор соли урана-235 в тяжелой воде.

Критическая масса существует не только для урана-235. Есть еще ряд изотопов, способных к цепной реакции деления. Главное условие — продукты распада ядра должны вызывать акты распада других ядер.

Урановая бомба

Итак, у нас есть две полусферических отливки урана массой по 40 кг. Пока они находятся на почтительном отдалении друг от друга, все будет спокойно. А если начать их медленно сдвигать? Вопреки распространенному мнению, не произойдет ничего грибообразного. Просто куски по мере сближения начнут нагреваться, а затем, если вовремя не одуматься, раскаляться. В конце концов они просто расплавятся и растекутся, а все, кто двигал отливки, дадут дуба от облучения нейтронами. А те, кто с интересом наблюдал за этим, склеят ласты.

А если быстрее? Быстрее расплавятся. Еще быстрее? Еще быстрее расплавятся. Охладить? Да хоть в жидкий гелий опустите — толку не будет. А если выстрелить одним куском в другой? О! Момент истины. Мы только что придумали урановую пушечную схему. Впрочем, гордиться нам особенно нечем, эта схема — самая простая и безыскусная из всех возможных. Да и от полушарий придется отказаться. Они, как показала практика, не склонны ровненько слипаться плоскостями. Малейший перекос — и получится очень дорогостоящий «пук», после которого долго придется убирать.

Лучше сделаем короткую толстостенную трубу из урана-235 с массой 30-40 кг, к отверстию которой приставим высокопрочный стальной ствол того же калибра, заряженный цилиндром из такого же урана примерно такой же массы. Окружим урановую мишень бериллиевым отражателем нейтронов. Вот теперь, если пальнуть урановой «пулей» по урановой «трубе» — будет полная «труба». То есть будет ядерный взрыв. Только пальнуть надо по-серьезному, так, чтобы дульная скорость уранового снаряда была хотя бы 1 км/с. Иначе опять же будет «пук», но погромче. Дело в том, что при сближении снаряда и мишени они настолько разогреваются, что начинают интенсивно испаряться с поверхности, тормозясь встречными газовыми потоками. Более того, если скорость недостаточна, то есть шанс, что снаряд просто не долетит до мишени, а испарится по дороге.

Разогнать до такой скорости болванку массой в несколько десятков килограмм, причем на отрезке в пару метров — задача крайне непростая. Именно поэтому потребуется не порох, а мощная взрывчатка, способная создать в стволе должное давление газов за очень короткое время. А ствол потом чистить не придется, не беспокойтесь.

Бомба Mk-I «Little Boy», сброшенная на Хиросиму, была устроена именно по пушечной схеме.

Есть, конечно, незначительные детали, которые мы не учли в нашем проекте, но против самого принципа не погрешили совершенно.

Плутониевая бомба

Так. Урановую бомбу мы взорвали. Грибом полюбовались. Теперь будем взрывать плутониевую. Только не надо тащить сюда мишень, снаряд, ствол и прочий хлам. Этот номер с плутонием не пройдет. Даже если мы пальнем одним куском в другой со скоростью в 5 км/с, все равно надкритической сборки не выйдет. Плутоний-239 успеет разогреться, испариться и изгадить все вокруг. Его критическая масса — чуть больше 6 кг. Можете себе представить, насколько он активнее в плане захвата нейтронов.

Плутоний — металл необычный. В зависимости от температуры, давления и примесей он существует в шести модификациях кристаллической решетки. Есть даже такие модификации, в которых он сжимается при нагревании. Переходы из одной фазы в другую могут совершаться скачкообразно, при этом плотность плутония может меняться на 25%.Давайте, как все нормальные герои, пойдем в обход. Вспомним, что критическая масса определяется, в частности, отношением объема к поверхности. Ладно, у нас есть шарик докритической массы, имеющий минимальную поверхность при заданном объеме. Скажем, 6 килограмм. Радиус шарика — 4,5 см. А если этот шарик сжать со всех сторон? Плотность возрастет пропорционально кубу линейного сжатия, а поверхность уменьшится пропорционально его же квадрату. И вот что получится: атомы плутония уплотнятся, то есть тормозной путь нейтрона сократится, а значит, увеличится вероятность его поглощения. Но, опять же, сжать с нужной скоростью (порядка 10 км/с) все равно не выйдет. Тупик? А вот и нет.

При 300°С наступает так называемая дельта-фаза — самая рыхлая. Если легировать плутоний галлием, нагреть его до этой температуры, а затем медленно охладить, то дельта-фаза сможет существовать и при комнатной температуре. Но она не будет стабильной. При большом давлении (порядка десятков тысяч атмосфер) произойдет скачкообразный переход в очень плотную альфа-фазу.

Поместим плутониевый шарик в большой (диаметр 23 см) и тяжелый (120 кг) пустотелый шар из урана-238. Не переживайте, у него нет критической массы. Зато он прекрасно отражает быстрые нейтроны. А они нам еще пригодятся.Думаете, взорвали? Как бы не так. Плутоний — чертовски капризная сущность. Придется еще поработать. Сделаем две полусферы из плутония в дельта-фазе. Сформируем в центре сферическую полость. И в эту полость поместим квинтэссенцию ядерно-оружейной мысли — нейтронный инициатор. Это такой маленький пустотелый шарик из бериллия диаметром 20 и толщиной 6 мм. Внутри его — еще один шарик из бериллия диаметром 8 мм. На внутренней поверхности пустотелого шарика — глубокие бороздки. Все это щедро никелировано и покрыто золотом. В бороздки помещается полоний-210, который активно испускает альфа-частицы. Вот такое вот чудо технологии. Как оно работает? Секундочку. У нас еще есть несколько дел.

Окружим урановую оболочку еще одной, из сплава алюминия с бором. Ее толщина — около 13 см. Итого, наша «матрешка» теперь растолстела до полуметра и поправилась с 6 до 250 кг.

Теперь изготовим имплозионные «линзы». Представьте себе футбольный мяч. Классический, состоящий из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников. Изготовим такой «мяч» из взрывчатки, а каждый из сегментов снабдим несколькими электродетонаторами. Толщина сегмента — около полуметра. При изготовлении «линз» есть тоже масса тонкостей, но если их описывать, то на все остальное не хватит места. Основное — максимальная точность линз. Малейшая погрешность — и всю сборку раздробит бризантным действием взрывчатки. Полная сборка теперь имеет диаметр около полутора метров и массу 2,5 тонны. Завершает конструкцию электрическая схема, задача которой — подорвать детонаторы в строго определенной последовательности с точностью до микросекунды.

Все. Перед нами — плутониевая имплозионная схема.

А теперь — самое интересное.

При детонации взрывчатка обжимает сборку, а алюминиевый «толкатель» не дает распространиться спаду взрывной волны, распространяющемуся вслед за ее фронтом внутрь. Пройдя через уран со встречной скоростью около 12 км/с, волна сжатия уплотнит и его, и плутоний. Плутоний при давлениях в зоне сжатия порядка сотен тысяч атмосфер (эффект фокусировки взрывного фронта) перейдет скачком в альфа-фазу. За 40 микросекунд описанная здесь сборка уран-плутоний станет не просто надкритической, а превышающей критическую массу в несколько раз.

Дойдя до инициатора, волна сжатия сомнет всю его конструкцию в монолит. При этом золото-никелевая изоляция разрушится, полоний-210 за счет диффузии проникнет в бериллий, испускаемые им альфа-частицы, проходящие через бериллий, вызовут колоссальный поток нейтронов, запускающих цепную реакцию деления во всем объеме плутония, а поток «быстрых» нейтронов, рожденный распадом плутония, вызовет взрыв урана-238. Готово, мы вырастили второй гриб, ничуть не хуже первого.

Пример плутониевой имплозионной схемы — бомба Mk-III «Fatman», сброшенная на Нагасаки.

Все описанные здесь ухищрения нужны для того, чтобы заставить вступить в реакцию максимальное количество атомных ядер плутония. Основная задача — как можно дольше удержать заряд в компактном состоянии, не дать ему разлететься плазменным облаком, в котором цепная реакция мгновенно прекратится. Здесь каждая выигранная микросекунда — прирост одной-двух килотонн мощности.

Термоядерная бомба

Существует расхожее мнение, что ядерная бомба — запал для термоядерной. В принципе, все гораздо сложнее, но суть ухвачена верно. Оружие, основанное на принципах термоядерного синтеза, позволило добиться такой мощности взрыва, которая ни при каких условиях не может быть достигнута цепной реакцией деления. Но единственный пока источник энергии, позволяющий «поджечь» термоядерную реакцию синтеза, — это ядерный взрыв.

Термоядерный синтез

Помните, как мы с вами «кормили» ядро водорода нейтронами? Так вот, если попытаться подобным образом соединить между собой два протона, ничего не выйдет. Протоны не удержатся вместе из-за кулоновских сил отталкивания. Либо они разлетятся, либо произойдет бета-распад и один из протонов станет нейтроном. А вот гелий-3 существует. Благодаря одному-единственному нейтрону, который делает протоны более уживчивыми друг с другом.

В принципе, на основании состава ядра гелия-3 можно сделать вывод, что из ядер протия и дейтерия можно вполне собрать одно ядро гелия-3. Теоретически это так, но такая реакция может идти только в недрах больших и горячих звезд. Более того, в недрах звезд даже из одних протонов можно собрать гелий, превращая часть их в нейтроны. Но это уже вопросы астрофизики, а достижимый для нас вариант — это слить два ядра дейтерия или дейтерий и тритий.

Для слияния ядер необходимо одно очень специфическое условие. Это очень высокая (10⁹ К) температура. Только при средней кинетической энергии ядер в 100 килоэлектронвольт они способны сблизиться на расстояние, при котором сильное взаимодействие начинает преодолевать кулоновское.

Вполне законный вопрос — зачем городить этот огород? Дело в том, что при синтезе легких ядер выделяется энергия порядка 20 МэВ. Разумеется, при вынужденном делении ядра урана эта энергия в 10 раз больше, но есть один нюанс — при самых больших ухищрениях урановый заряд мощностью даже в 1 мегатонну невозможен. Даже для более совершенной плутониевой бомбы достижимый выход энергии — не более чем 7-8 килотонн с одного килограмма плутония (при теоретическом максимуме 18 килотонн). И не забывайте о том, что ядро урана почти в 60 раз тяжелее двух ядер дейтерия. Если считать удельный выход энергии, то термоядерный синтез заметно впереди.

И еще — для термоядерного заряда не существует никаких ограничений по критической массе. У него попросту ее нет. Есть, правда, другие ограничения, но о них — ниже.

В принципе, запустить термоядерную реакцию как источник нейтронов достаточно несложно. Гораздо труднее запустить ее как источник энергии. Здесь мы сталкиваемся с так называемым критерием Лоусона, который определяет энергетическую выгодность термоядерной реакции. Если произведение плотности реагирующих ядер и времени их удержания на расстоянии слияния больше, чем 10¹⁴ сек/см³, энергия, даваемая синтезом, превысит энергию, вводимую в систему.

Именно достижению этого критерия и были посвящены все термоядерные программы.

Классический супер

Первая схема термоядерной бомбы, пришедшая в голову Эдварду Теллеру, была чем-то сродни попытке создать плутониевую бомбу по пушечной схеме. То есть вроде бы все правильно, но не работает. Устройство «классического супера» — жидкий дейтерий, в который погружена плутониевая бомба, — было и вправду классическим, но далеко не супер.

Мысль о взрыве ядерного заряда в среде жидкого дейтерия оказалась тупиковой изначально. При таких условиях мало-мальский выход энергии термоядерного синтеза мог быть достигнут при подрыве ядерного заряда мощностью 500 кт. А о достижении критерия Лоусона вообще говорить не приходилось.

Слойка

Идея окружить ядерный заряд-триггер слоями термоядерного топлива, перемежающегося ураном-238 в качестве теплоизолятора и усилителя взрыва, Теллеру тоже приходила в голову. Да и не только ему. Первые советские термоядерные бомбы были построены именно по этой схеме. Принцип был достаточно простым: ядерный заряд прогревает термоядерное горючее до температуры начала синтеза, а рождающиеся при синтезе быстрые нейтроны взрывают слои урана-238. Однако ограничение оставалось прежним — при той температуре, которую мог обеспечить ядерный триггер, в реакцию синтеза могла вступить только смесь дешевого дейтерия и невероятно дорогого трития.

Позже Теллера посетила мысль использовать соединение дейтерид лития-6. Такое решение позволило отказаться от дорогих и неудобных криогенных емкостей с жидким дейтерием. К тому же в результате облучения нейтронами литий-6 превращался в гелий и тритий, вступавший с дейтерием в реакцию синтеза.

Недостатком этой схемы оказалась ограниченная мощность — в реакцию синтеза успевала вступить лишь ограниченная часть термоядерного горючего, окружавшего триггер. Остальное, сколько бы его ни было, шло на ветер. Максимальная мощность заряда, полученная при использовании «слойки», равнялась 720 кт (британская бомба Orange Herald). Судя по всему, это был «потолок».

Схема Теллера-Улама

Об истории разработки схемы Теллера-Улама мы уже говорили. Теперь давайте разберемся в технических деталях этой схемы, которую называют также «двухступенчатой» или «схемой обжатия излучением».

Наша задача — нагреть термоядерное топливо и удержать его в определенном объеме, чтобы выполнить критерий Лоусона. Оставляя в стороне американские упражнения с криогенными схемами, возьмем в качестве термоядерного топлива уже известный нам дейтерид лития-6.

В качестве материала контейнера для термоядерного заряда выберем уран-238. Контейнер — цилиндрической формы. По оси контейнера внутри его расположим цилиндрический стержень из урана-235, имеющий субкритическую массу.

На заметку: нашумевшая в свое время нейтронная бомба — это та же схема Теллера-Улама, но без уранового стержня по оси контейнера. Смысл в том, чтобы обеспечить мощный поток быстрых нейтронов, но не допустить выгорания всего термоядерного топлива, на которое станут расходоваться нейтроны.

Остальное свободное пространство контейнера заполним дейтеридом лития-6. Разместим контейнер в одном из концов корпуса будущей бомбы (это у нас будет вторая ступень), а в другом его конце смонтируем обычный плутониевый заряд мощностью в несколько килотонн (первая ступень). Между ядерным и термоядерным зарядами установим перегородку из урана-238, предотвращающую преждевременный разогрев дейтерида лития-6. Заполним остальное свободное пространство внутри корпуса бомбы твердым полимером. В принципе, термоядерная бомба готова.

При подрыве ядерного заряда 80% энергии выделяется в виде рентгеновского излучения. Скорость его распространения намного превышает скорость распространения осколков деления плутония. Через сотые доли микросекунды урановый экран испаряется, и рентгеновское излучение начинает интенсивно поглощаться ураном контейнера термоядерного заряда. В результате так называемой абляции (уноса массы с поверхности нагретого контейнера) возникает реактивная сила, сжимающая контейнер в 10 раз. Именно этот эффект называется радиационной имплозией или обжатием излучением. При этом плотность термоядерного топлива возрастает в 1000 раз. В результате колоссального давления радиационной имплозии центральный стержень из урана-235 также подвергается обжатию, хотя и в меньшей степени, и переходит в надкритическое состояние. К этому времени термоядерный блок подвергается бомбардировке быстрыми нейтронами ядерного взрыва. Пройдя через дейтерид лития-6, они замедляются и интенсивно поглощаются урановым стержнем.

В стержне начинается цепная реакция деления, быстро приводящая к ядерному взрыву внутри контейнера. Поскольку дейтерид лития-6 при этом подвергается абляционному обжатию снаружи и давлению ядерного взрыва изнутри, его плотность и температура еще больше возрастает. Этот момент — начало запуска реакции синтеза. Дальнейшее ее поддержание определяется тем, как долго контейнер будет удерживать термоядерные процессы внутри себя, не давая выхода тепловой энергии наружу. Именно этим и определяется достижение критерия Лоусона. Выгорание термоядерного топлива идет от оси цилиндра к его краю. Температура фронта горения достигает 300 миллионов кельвин. Полное развитие взрыва вплоть до выгорания термоядерного топлива и разрушения контейнера занимает пару сотен наносекунд — в двадцать миллионов раз быстрее, чем вы прочитали эту фразу.

Надежное срабатывание двухступенчатой схемы зависит от точной сборки контейнера и предотвращения его преждевременного разогрева.

Мощность термоядерного заряда для схемы Теллера-Улама зависит от мощности ядерного триггера, обеспечивающего эффективное обжатие излучением. Впрочем, сейчас существуют и многоступенчатые схемы, в которых энергия предыдущей ступени используется для обжатия последующей. Пример трехступенчатой схемы — уже упомянутая 100-мегатонная «кузькина мать».

Занимательная физика

Существует ли Мультимир на самом деле?

      Доказательство существования параллельных вселенных, совершенно не похожих на нашу, может оказаться за пределом возможностей науки. За последние десятилетия в космологии появилось новое поле научной деятельности, увлекшее многих ученых. Расширяющаяся вокруг нас Вселенная может оказаться не единственной: нас могут окружать миллиарды других вселенных. Возможно, наш мир представляет собой лишь часть Мультимира.

      В статьях журнала «В мире науки», а также в книгах, например в последней книге Брайана Грина (Brian Greene) «Скрытая реальность» (The Hidden Reality), ведущие ученые обсуждают эту «сверхкоперниканскую революцию». Не только наша планета одна среди многих, но и сама наша Вселенная - всего лишь песчинка в масштабах космоса; одна среди бесчисленных вселенных, каждая из которых не похожа на другие. Слово «Мультимир» многозначно. Размер космологического горизонта, т.е. области, доступной астрономическим наблюдениям, составляет около 42 млрд световых лет. Однако у нас нет причин полагать, что Вселенная ограничивается этой областью. Дальше могут простираться другие, и их может быть бесконечно много. Каждая обладает различным начальным распределением вещества, но одинаковыми для всех физическими законами. Практически все космологи, включая меня, принимают такую гипотезу строения Мультимира. Космолог Макс Тегмарк (Max Tegmark) называет ее «Уровень 1». Однако нашлись и те, кто придерживается более радикальной гипотезы, которая заключается в том, что вселенные Мультимира могут быть совершенно различными, с разными законами физики, разными историями и, возможно, даже с разным количеством пространственных измерений. Большинство таких вселенных стерильны, но некоторые могут быть пригодны для жизни. Главный вдохновитель этого «Уровня 2» - Александр Виленкин (Alexander Vilenkin). В бесконечном множестве вселенных есть бесконечное множество галактик и, следовательно, бесконечное множество планет и даже бесконечно много людей с вашим именем, читающих сейчас эти строки.

      Подобные утверждения делались не раз с античных времен. Однако теперь концепция Мультимира претендует на статус научной теории, положения которой могут быть математически строго сформулированы и экспериментально проверены. Лично я смотрю на это скептически: вряд ли можно доказать существование вселенных, лежащих за пределами нашей. Сторонники теории Мультимира, стремясь расширить наше представление о физической реальности, тем самым меняют смысл понятия «наука».

За горизонтом

      Тот, кто разделяет радикальную концепцию Мультимира, может предложить несколько сценариев его возникновения и указать, где размещаются все «дочерние» миры. Так, согласно модели Алана Гута (Alan H. Guth), Андрея Линде (Andrei Linde) и других, многочисленные вселенные могут располагаться очень далеко от нас, в причинно не связанных областях пространства, формирующихся в ходе хаотической инфляции. Другие вселенные могут существовать в различные временные эпохи, как это предложили в модели циклической Вселенной Пол Стейнхард (Paul J. Steinhardt) и Нейл Тюрок (Neil Turok). Они также могут существовать и в одном пространстве с нами, но при различных реализациях квантовой волновой функции, как предполагает Дэвид Дойч (David Deutsch). Они могут вообще не обладать определенной пространственной локализацией, будучи совершенно отделены от нашего пространства-времени, как это предполагают Макс Тегмарк и Дэннис Шьяма (Dennis Sciama).

   Идея о параллельных вселенных перекочевала со страниц фантастических романов в научные журналы в 1990-е гг. Многие ученые утверждают, что миллионы других вселенных, каждая со своими законами физики, лежат за пределами нашего горизонта. Все вместе они называются Мультимир.

   Беда в том, что никогда не удастся увидеть эти вселенные при помощи астрономических наблюдений. Аргументы в их пользу в лучшем случае косвенные. Но даже если Мультимир существует, это не поможет нам разгадать глубокие тайны природы.

      Из всех перечисленных вариантов самый популярный – подход в рамках модели хаотической инфляции. Далее я буду говорить именно о нем, хотя ряд замечаний можно отнести и к другим моделям Мультимира. Идея заключается в том, что мир в целом представляет собой вечно расширяющуюся пустоту, в которой из-за квантовых эффектов непрерывно рождаются новые вселенные; этот процесс напоминает выдувание мыльных пузырей. Идея инфляции восходит к 1980-м гг.; работавшие над ней физики опирались на самую всеобъемлющую теорию природы – теорию струн. Согласно ей, пузыри сильно отличаются друг от друга: не только различным распределением вещества, но и различным типом вещества. В нашей Вселенной такие частницы, как электроны и кварки, взаимодействуют друг с другом посредством разных сил, например электромагнитных. В других вселенных могут быть совсем другие частицы, подчиняющиеся иным взаимодействиям; т.е. физические законы в разных частях Мультимира могут быть различны. Всю совокупность этих законов называют ландшафтом (смотри статью Рафаэля Буссо (Raphael Bousso) и Йозефа Полчински (Joseph Polchinski). В некоторых интерпретациях струнной теории ландшафт гарантирует громадное многообразие вселенных.

      Многие физики, рассуждающие о Мультимире, защищают концепцию ландшафта струнной теории, не заботясь о других возможных интерпретациях параллельных миров. Для них не важны фундаментальные возражения против Мультимира как научной концепции. Теория признается жизнеспособной или нет в зависимости от внутренней непротиворечивости своих положений или, по возможности, в зависимости от экспериментальных исследований. Концепция Мультимира задается при таком подходе аксиоматически. Сторонников подобного подхода не заботят вопросы о происхождении самого Мультимира. Но для космологов это важно.

      С точки зрения космолога главная проблема всех теорий, связанных с Мультимиром, – наличие космологического горизонта, ограничивающего область применения астрономических инструментов. Горизонт существует, потому что сигналы, идущие отовсюду к наблюдателю, распространяются с конечной скоростью, не превышающей скорости света. С момента рождения нашей Вселенной сигналы успели пройти определенный путь. Все параллельные вселенные лежат за пределами этого горизонта и остаются вне нашего поля зрения ныне и вовеки, вне зависимости от будущего технического прогресса человечества. Иными словами, параллельные вселенные слишком далеки от нас, чтобы оказать на нас когда-нибудь хоть какое-то влияние.

Когда астрономы вглядываются во Вселенную, они видят до расстояния около 42 млрд световых лет; это наш космический горизонт, который определяется тем, как далеко смог уйти свет с момента Большого взрыва (а можно сказать -насколько расширилась Вселенная с того момента). Считая, что пространство не ограничено этим размером и вполне может быть бесконечным, космологи делают предположения о том, как выглядят остальные части мира.

Мультимир первого уровня: вероятный. Самое простое предположение состоит в том, что наш объем пространства типичен для мира в целом. Далекие наблюдатели видят другие объемы, но все они выглядят в целом одинаково за исключением случайных вариаций в распределении вещества. Вместе эти области - наблюдаемые и ненаблюдаемые - составляют Мультимир основного типа

Мультимир второго уровня: сомнительный. Многие космологи идут дальше и предполагают, что на достаточно большом расстоянии все выглядит совсем не так, как у нас. Наши окрестности могут быть лишь одним из множества пузырей, плавающих в пустоте. Законы физики могут различаться от пузыря к пузырю, что привело бы к немыслимому разнообразию явлений. Те другие пузыри могут быть даже в принципе ненаблюдаемыми. Автор и другие скептики полагают сомнительным этот тип Мультимира

      Таким образом, ни одно из утверждений сторонников существования Мультимира невозможно проверить путем наблюдений. Существуют возражения против этой точки зрения: всю необходимую информацию о процессах, происходящих сколь угодно далеко от нас, можно получить, находясь в рамках горизонта. Это экстраполяция совершенно особо рода, ведь в действительности мы не знаем и не можем знать, что происходит в областях за горизонтом. Быть может, наша Вселенная замкнута на сверхбольших расстояниях, и бесконечности вообще не существует. Быть может, все вещество во Вселенной где-то заканчивается, и дальше до бесконечности идет совершенно пустое пространство. Быть может, сами пространство и время завершают свое существование в сингулярности – на границе нашей Вселенной.

Семь сомнительных аргументов

      Почти все сторонники гипотезы Мультимира знают об упомянутой проблеме и осторожны в своих суждениях, но они полагают, что можно сделать разумные предположения о важнейших свойствах Мультимира. Их аргументы делятся на семь основных типов, каждый из которых приводит к нерешенным проблемам. Пространство безгранично. Пространство простирается за наш космологический горизонт, и многие другие домены, подобные нашей Вселенной, лежат вне области, доступной нашим наблюдениям. Если такой ограниченный тип Мультимира существует, то мы можем экстраполировать то, что видим, на лежащие за горизонтом домены. По мере удаления наша экстраполяция будет все менее и менее определенной. Легко вообразить себе множество разнообразных доменов, в том числе и таких, в которых могут нарушаться законы физики, - но это будет так далеко, что мы этого никогда не увидим. Проблема подобной экстраполяции состоит в том, что никто не может определить, правы мы или нет. Как ученые смогут решить, верна представленная ими на основе экстраполяции имеющихся наблюдений картина далеких частей Мультимира или нет? Могут ли другие домены-вселенные обладать различными начальными распределениями вещества, или они также могут обладать различными значениями фундаментальных физических постоянных, таких как константы ядерного взаимодействия? В зависимости от наших предположений оказывается возможным получить все что угодно.

      Известные законы физики предсказывают другие домены. В современных теориях объединения физических взаимодействий возникают новые сущности, такие как гипотетические скалярные поля, которые могут заполнять пространство и определять его свойства. Например, поле инфлатона может быть ответственно за инфляцию - экспоненциальное расширение вселенных. В модели хаотической инфляции процесс рождения и расширения вселенных может быть вечным. Модели со скалярными полями имеют хорошее теоретическое обоснование, однако физическая природа таких полей остается неизвестной. Кроме того, физики не могут привести достаточно оснований для доказательства того, что динамика таких полей способна приводить к появлению различных физических законов, действующих в различных вселенных.

      Теория, предсказывающая бесконечное количество вселенных, проходит ключевой наблюдательный тест. Космическое микроволновое фоновое (т.е. реликтовое) излучение характеризует раннюю горячую Вселенную и демонстрирует, как она выглядела в конце инфляционной стадии первичного расширения. Детали этой картины показывают, что наша Вселенная действительно прошла стадию экспоненциального расширения. Но не все теоретически возможные варианты инфляции длятся вечно и порождают бесконечное число дочерних вселенных. Наблюдения не могут выявить единственную модель инфляции среди многих других. Некоторые космологи, например Стейнхард, даже согласны с тем, что вечная инфляция должна привести к другим «отпечаткам» на реликтовом излучении, нежели это наблюдается. Линде и некоторые другие космологи не согласны с такой точкой зрения. Кто же из них прав? Ответ зависит от того, какими мы предполагаем физические свойства поля, вызывающего инфляцию.

Сторонники идеи Мультимира часто приводят как аргумент плотность темной энергии, доминирующей в нашей Вселенной. Процесс вечной инфляции наделяет каждую вселенную в Мультимире случайной плотностью темной энергии. У немногих вселенных ее значение нулевое или малое, у большинства - высокое (синяя зона). Но слишком плотная темная энергия разрушит сложные структуры, необходимые для поддержания жизни (красная зона). Так что у большинства пригодных для жизни вселенных должна быть средняя плотность (пик в области перекрытия), точь-в-точь как у нашей Вселенной. Но критики идеи Мультимира говорят, что это замкнутый круг: такое рассуждение справедливо, только если вы уверены, что Мультимир существует.

      Фундаментальные константы тонко настроены для существования жизни. Важное замечание относительно нашей Вселенной заключается в том, что все физические постоянные имеют такие значения, которые делают возможным существование сложных структур, включая живые организмы. Стивен Вайнберг (Steven Weinberg), Мартин Рис (Martin Rees), Леонард Сасскинд (Leonard Susskind) и другие полагают, что концепция бесконечно многообразного Мультимира дает превосходное объяснение имеющимся значениям фундаментальных физических констант. Коль скоро мир бесконечен и допускает все что угодно, то рано или поздно случайным образом возникнет мир, приспособленный для нашего существования. Такой аргумент, в частности, применялся для объяснения наблюдаемой плотности темной энергии, которая вызывает современное ускоренное расширение Вселенной. Я согласен с тем, что концепция Мультимира дает нам одно из возможных объяснений значения плотности темной энергии, причем это единственное научно обоснованное предположение о значении этой плотности, которое мы сегодня имеем. Но у нас нет надежды проверить это предположение путем наблюдений. Кроме того, теоретические исследования этого вопроса показывают, что основные уравнения физики остаются неизменными для всех областей Мультимира, что отличия присутствуют только в значениях фундаментальных постоянных. Однако если принимать концепцию Мультимира серьезно, то в этом нет необходимости.

      Фундаментальные константы делают Мультимир предсказуемым. Этот аргумент улучшает предыдущий за счет предположения о том, что наша Вселенная приспособлена к жизни минимальным образом. Сторонники такого подхода оценили вероятности различных значений плотности темной энергии. Чем больше это значение, тем более оно вероятно; но при этом менее вероятно появление жизни. Значение плотности темной энергии, которое мы наблюдаем, балансирует на грани благоприятных для нас значений. Проблема этого аргумента в том, что мы не можем применить вероятностный подход, если не существует Мультимира для применения самой концепции вероятностей. Таким образом, этот аргумент позволяет получить желаемое, заложив его как начальное условие цепочки рассуждений. Этот аргумент неприменим, если существует лишь одна вселенная. Вероятностный подход доказывает согласованность гипотезы Мультимира, но не само его существование.

      Струнная теория предсказывает разнообразие вселенных. Изначально струнная теория была призвана объяснить все на свете, а теперь стала теорией, в которой может реализоваться практически все. В своем текущем состоянии теория струн предсказывает, что многие из основных свойств нашей Вселенной чисто случайны. Если Вселенная единственна в своем роде, то ее свойства необъяснимы. Например, как мы можем понять тот факт, что физика обладает ровно теми свойствами, которые нужны для существования жизни? Если наша Вселенная - одна из многих, то ее свойства обладают смыслом. Эти свойства - единственно возможные в нашей области пространства. Если бы мы жили в других областях, то наблюдали бы другие свойства, если, конечно, они оказались бы совместимы с нашим существованием. Однако теория струн пока не проверяема экспериментальными методами; до сих пор она не полностью сформулирована даже теоретически. Если мы сможем доказать, что теория струн верна, то все ее предсказания станут обоснованными, и таким образом гипотеза Мультимира получит поддержку. Но пока мы не располагаем доказательствами.

      Все, что может случиться, случается. В попытках объяснить, почему в природе реализуются именно такие, а не иные законы природы, некоторое физики и философы полагают, что природа не делает выбора, не отдает предпочтения тем или иным законам: все возможные законы где-нибудь да реализуются. Отчасти эта идея идет от квантовой механики. Как сказал когда-то Мюррей Гелл-Манн (Murray Gell-Mann), «все, что не запрещено, разрешено». В квантовой теории частица перемещается по всем возможным путям, а наблюдатель фиксирует некую усредненную траекторию. Возможно, то же самое верно и для поведения вселенных применительно к Мультимиру. Но астрономы не имеют возможности наблюдать все возможные варианты. Мы не можем даже знать, есть ли эти варианты. Мы можем только представить себе эти предложения как некие непроверяемые принципы или правила, говорящие, что верно, а что нет. Например, что все возможные математические структуры обязаны быть реализованы в некотором физическом домене (так предлагает М. Тегмарк). Однако мы не знаем, какой тип существования влекут за собой эти принципы, которые должны включать и наш мир. Кроме того, у нас нет способа проверить, есть ли такие принципы организации. Приложение их к реальному миру выглядит чистой спекуляцией.

Отсутствие доказательств

Карта (панорама) анизотропии реликтового излучения (горизонтальная полоса — засветка от галактики Млечный Путь). Красные цвета означают более горячие области, а синие цвета — более холодные области.

Восстановленная карта (панорама) анизотропии реликтового излучения с исключённым изображением Галактики, изображением радиоисточников и изображением дипольной анизотропии. Красные цвета означают более горячие области, а синие цвета — более холодные области.

      Несмотря на слабость теоретических аргументов, космологи предложили несколько эмпирических тестов для проверки существования параллельных вселенных. Реликтовое излучение может содержать следы других вселенных, если наша Вселенная когда-либо сталкивалась с ними согласно сценарию хаотической инфляции. Это излучение может содержать и следы вселенных, которые были до Большого взрыва в рамках сценария бесконечного цикла вселенных. Так что есть способы обнаружить реальные доказательства существования других миров. Некоторые космологи утверждают, что они уже видят искомые знаки. Но наблюдения и их интерпретация очень спорны; к тому же многие гипотетически возможные типы мультимиров не способны проявлять себя таким образом. Иными словами, наблюдатели могут проверить только узкий класс моделей. Еще один наблюдательный тест – поиск изменений одной или нескольких фундаментальных констант, чтобы подтвердить, что законы физики не так уж неизменны. Некоторые астрономы утверждают, что уже нашли такие изменения. Но большинство считают эти доказательства сомнительными. Третий тест – измерение формы наблюдаемой Вселенной: она сферическая (положительная кривизна), гиперболическая (отрицательная кривизна) или «плоская»? Модели Мультимира обычно предсказывают, что Вселенная не сферическая, поскольку сфера замкнута на себя, а значит, имеет конечный объем. К сожалению, это ненадежный тест: Вселенная за пределами нашего горизонта может иметь иную форму, чем у наблюдаемой ее части. Более того, не все теории Мультимира исключают сферическую геометрию. Эффективный тест – топология Вселенной: искривлена ли она как пончик или крендель? Если да, то ее размер конечен, что, несомненно, опровергает большинство версий инфляции, в частности сценарии Мультимира, основанные на хаотической инфляции. Такая форма проявится в повторяющихся узорах на небе, таких как гигантские круги в распределении реликтового излучения. Наблюдатели искали, но не нашли такие узоры. Впрочем, этот отрицательный результат нельзя рассматривать как аргумент в пользу Мультимира. Наконец, физики могут надеяться доказать или опровергнуть некоторые теории, предсказывающие Мультимир. Они могли бы найти наблюдательные доказательства против хаотической версии инфляции или обнаружить математические либо эмпирические нестыковки, которые заставят их отказаться от ландшафта теории струн. Это подорвало бы их энтузиазм в отношении идеи Мультимира, хотя и не исключило бы эту идею окончательно.

Слишком много неопределенности

      В целом идея Мультимира не выглядит продуктивной. Главная причина – чрезвычайная гибкость предположений: это скорее концепция, нежели четкая теория. Большинство ее положений – больше смесь различных идей, чем нечто цельное. Основной механизм вечной инфляции сам по себе не приводит к тому, что в разных доменах Мультимира возникает разная физика; для этого к нему нужно добавить другую спекулятивную теорию. Хотя их можно было бы объединить, в этом нет острой необходимости.

Ключевой шаг в оправдании Мультимира – это экстраполяция от известного к неизвестному, от проверяемого к непроверяемому. Вы получите разные ответы в зависимости от того, что выберете для экстраполяции. Поскольку теории, использующие Мультимир, могут объяснить почти все что угодно, любое наблюдение можно согласовать с каким-либо вариантом Мультимира. Фактически эти «доказательства» толкают нас к тому, чтобы принять теоретическое объяснение и не настаивать на проверке путем наблюдений. Но до сих пор именно такая проверка была важнейшим требованием научного метода, и мы сильно рискуем, отказываясь от нее. Если мы ослабим требование к надежности данных, то лишимся основы успеха науки в течение последних столетий.

      Разумеется, единое объяснение некоторого круга явлений предпочтительнее, чем набор отдельных толкований для того же массива явлений. Если объединяющее объяснение предполагает наличие ненаблюдаемых сущностей, таких как параллельные миры, мы могли бы с этим смириться. Но ключевой вопрос здесь в том, сколько этих ненаблюдаемых сущностей требуется. А именно, предполагаем ли мы количество этих сущностей больше или меньше числа явлений, которые хотим объяснить? В случае Мультимира мы постулируем существование огромного быть может, даже бесконечного - числа ненаблюдаемых сущностей, чтобы объяснить лишь одну реальную Вселенную. Вряд ли это согласуется с советом английского философа XIV в. Уильяма Оккама не умножать сущностей сверх необходимого.

      Защитники идеи Мультимира приводят последний аргумент: для нее нет достойной альтернативы. Хоть ученым и неприятна мысль о параллельных мирах, но если это наилучшее объяснение, то мы вынуждены его принять. И наоборот, если мы хотим отказаться от Мультимира, то должны предложить идею получше. Оценка альтернатив зависит от того, объяснение какого типа мы готовы принять. У физиков всегда была надежда, что законы природы неизбежны, что все происходит так, потому что не может происходить иначе. Но мы не смогли это доказать. Другие варианты тоже возможны. Вселенная может быть чистой случайностью, которая реализовалась именно таким образом. Или же в основе всего сущего лежит некая цель, замысел? Наука не может определить, где здесь истина, поскольку это уже область метафизики.

      Ученые предложили Мультимир как способ решения глубоких вопросов о природе бытия, но это предложение оставило важнейшие проблемы нерешенными. Все те же вопросы, которые возникают в отношении Вселенной, вновь встают и в отношении Мультимира. Если он существует, то возник ли он по необходимости, случайно или в результате замысла? Это вопрос метафизический, и никакая физическая теория не ответит на него ни в отношении Вселенной, ни в отношении Мультимира.

      Чтобы двигаться вперед, мы должны помнить, что в науке практика - критерий истины. Нам нужна некая причинная связь между теми сущностями, которые мы рассматриваем, иначе все размывается. Эта связь может быть косвенной. Если нечто ненаблюдаемо, но абсолютно необходимо для свойств других сущностей, которые надежно проверены, то и само оно может считаться проверенным. Но в этом случае обязательно нужна цепь надежных доказательств. Защитникам идеи Мультимира я бросаю вызов: сможете ли вы доказать, что ненаблюдаемые параллельные вселенные жизненно необходимы для объяснения того мира, который мы видим?

      Будучи скептиком, я считаю, что размышление о Мультимире - это прекрасная возможность задуматься о природе науки и о природе нашего бытия: почему мы здесь. Это наводит на новые интересные мысли и служит плодотворной исследовательской программой. Размышлять об этой концепции мы должны непредвзято, но и не слишком увлекаясь. Здесь важно не сбиться с пути. Параллельные вселенные могут быть или не быть; проверить это невозможно. Нам придется жить с этой неопределенностью. Нет ничего плохого в научно обоснованной философской концепции, какова и есть идея о Мультимире. Однако мы должны называть вещи своими именами.

                                                                                                                                                                         Перевод: В.Г. Сурдин

Об авторе

Джордж Эллис (George F. R. Ellis) - космолог и почетный профессор математики Кейптаунского университета (ЮАР), один из крупнейших в мире специалистов по общей теории относительности Эйнштейна и соавтор, вместе со Стивеном Хокингом, новаторской книги «Крупномасштабная структура пространства-времени» (М.: Мир, 1977).