Вселенная из ничего - Лоуренс Краусс

Ничто не может быть дальше от истины. Усилия, предпринятые для определения кривизны Вселенной, были реализованы более полувека назад учеными, которые посвятили свою жизнь выяснению подлинной природы Вселенной, не навязывая свои желания. Даже много лет после того, как были впервые предложены теоретические аргументы, почему Вселенная должна быть плоской, мои наблюдательные коллеги, в 1980-х и даже начале 1990-х, стремились доказать обратное. В конце концов, в науке можно произвести наибольшее впечатление (и часто попасть в наиболее громкие заголовки), не идя со стадом, а выступая против него.

Тем не менее, за этими данными было последнее слово, и последнее слово стало модным. Наша наблюдаемая Вселенная настолько близка к плоской, насколько мы можем измерить. Ньютоновская гравитационная энергия галактик, движущихся вместе с расширением Хаббла, равна нулю, нравится вам это или нет.

Теперь я хотел бы пояснить, почему, если наша Вселенная возникла из ничего, плоская Вселенная, Вселенная с нулевой суммарной ньютоновской гравитационной энергией каждого объекта — это именно то, что мы должны ожидать. Аргумент немного более утонченный — тоньше, чем я мог описать в моих популярных лекциях на эту тему — так что я счастлив, что здесь есть место, чтобы попытаться тщательно его изложить.

Во-первых, я хочу, чтобы вы поняли, какого рода «ничто» я обсуждаю в данный момент. Это самый простой вариант ничего, а именно пустое пространство. На данный момент я буду считать, что существует пространство, внутри которого нет абсолютно ничего, и в котором при этом существуют законы физики. Опять же, я понимаю это в модифицированной версии небытия, потому что тем, кто желает постоянно находить этому слову новое определение, дабы ни одно научное определение не нашло себе применения, эта версия «ничего» не подойдет. Тем не менее, я подозреваю, что, во времена Платона и Фомы Аквинского, когда они размышляли, почему было нечто, а не ничто, пустое пространство с ничем внутри было, вероятно, хорошим приближением того, о чем они думали.

Как мы видели в Главе 6, Алан Гут пояснил, как именно мы можем получить что-то из подобного рода ничего — совершенно бесплатный обед. Пустое пространство может иметь связанную с ним ненулевую энергию, даже в отсутствие какой-либо материи или излучения. Общая теория относительности говорит нам, что пространство будет расширяться в геометрической прогрессии, так что поначалу даже самая крошечная область вполне могла быстро достигнуть размера, достаточно большого, чтобы содержать всю нашу видимую Вселенную сегодня.

Как я указывал в этой главе, во время такого быстрого расширения область, которая в конечном итоге будет охватывать нашу Вселенную, будет становиться все более плоской, точно так же как энергия, содержащаяся в пустом пространстве, растет с ростом Вселенной. Это явление происходит без всяких фокус-покусов или чудесного вмешательства. Оно возможно потому, что гравитационное «давление», связанное с такой энергией пустого пространства, фактически отрицательно. Это «отрицательное давление» означает, что, когда Вселенная расширяется, расширение сбрасывает энергию в пространство, а не наоборот.

Согласно этой картине, когда заканчивается инфляция, энергия, запасенная в пустом пространстве, превращается в энергию реальных частиц и излучения, тем самым создавая прослеживаемое начало нашего нынешнего расширения Большого Взрыва. Я говорю прослеживаемое начало, потому что инфляция фактически стирает всякую память о состоянии Вселенной до ее возникновения. Все сложности и неровности на изначально больших масштабах (если изначальная вселенная, или метавселенная, была большой, даже бесконечно большой) сегодня сглаживаются и/или уносятся так далеко за пределы нашего горизонта, что после того, как произойдет достаточное инфляционное расширение, мы всегда будем видеть почти однородную Вселенную.

Я говорю почти однородную, потому что я уже описывал в Главе 6, как квантовая механика всегда будет оставлять некоторые остаточные колебания малой плотности, которые замораживаются во время инфляции. Это приводит ко второму удивительному проявлению инфляции, что колебания малой плотности в пустом пространстве, из-за правил квантовой механики, позже приводят к появлению всей той структуры, которую мы наблюдаем в сегодняшней Вселенной. Таким образом, мы, и всё, что мы видим, возникло благодаря квантовым флуктуациям практически из ничего почти с начала времен, а именно в период инфляционного расширения.

По его завершению, общая конфигурация материи и излучения представляла собой, по существу, плоскую Вселенную, в которой средняя ньютоновская гравитационная энергия всех объектов оказалась равной нулю. Так происходило бы почти всегда, если бы можно было очень тонко настроить величину инфляции.

Таким образом, наша наблюдаемая Вселенная могла возникнуть в виде микроскопически малой области пространства, которая могла быть фактически пустой, и все же вырасти до огромных масштабов, содержащих в итоге большое количество материи и излучения, не затратив ни капли энергии и имея достаточно материи и излучения, чтобы объяснить все то, что мы видим сегодня!

Важным моментом, который стоит подчеркнуть в этом кратком резюме инфляционной динамики, рассмотренной в Главе 6, является то, что нечто может возникнуть в пустом пространстве именно потому, что энергетика пустого пространства, в присутствии гравитации, совсем не такая, как мы могли бы предполагать, руководствуясь здравым смыслом, пока не обнаружили основополагающие законы природы.

Но никто никогда не говорил, что Вселенная руководствовалась тем, что мы, в нашем маленьком, ограниченном уголке пространства и времени, могли поначалу считать разумным. Конечно, кажется разумным априори предположить, что материя не может спонтанно возникнуть из пустого пространства, поэтому что-то, в этом смысле, не может возникнуть из ничего. Но когда мы принимаем во внимание динамику гравитационной и квантовой механики, мы видим, что этот практичный взгляд уже не верен. В этом красота науки, и в этом не должно быть ничего угрожающего. Наука просто заставляет нас пересмотреть то, что имеет смысл для устройства Вселенной, а не наоборот.

Итак, подводим итог: наблюдение, что Вселенная является плоской, и что локальная ньютоновская гравитационная энергия практически равна нулю, сегодня позволяет однозначно предположить, что наша Вселенная возникла в процессе, подобном инфляции, процессе, при котором энергия пустого пространства (ничего) преобразуется в энергию чего-то, в то время как Вселенная становилась все более и более плоской на всех наблюдаемых масштабах.

Тогда как инфляция демонстрирует, как пустое пространство, наделенное энергией, может создать практически все, что мы видим, включая невероятно большую и плоскую Вселенную, было бы нечестно говорить, что пустое пространство, наделенное энергией, которая движет инфляцией, на самом деле ничто. При этой картине нужно предположить, что пространство существует и может сохранять энергию, и, используя законы физики, вроде общей теории относительности, можно вычислить последствия. Так что, если мы остановились здесь, может быть справедливым утверждение, что современная наука далека от реального решения — как получить что-то из ничего. Как бы то ни было, это только первый шаг. По мере расширения нашего понимания, мы увидим, что инфляция может представлять собой лишь кончик космического айсберга небытия.

Глава 10: Нестабильное ничто

Fiat justitia, ruat caelum.

(Пусть свершится правосудие и рухнет небо).

Существование энергии в пустом пространстве (открытие, потрясшее нашу космологическую вселенную, и идея, составляющая краеугольный камень инфляции) только укрепляет в квантовом мире то, что уже хорошо себя зарекомендовало в связи с определенного рода лабораторными экспериментами, о которых я уже упоминал. Пустое пространство сложно для понимания. Это кипящее варево виртуальных частиц, которые появляются и исчезают за время столь короткое, что мы не можем видеть их непосредственно.

Виртуальные частицы являются проявлениями основного свойства квантовых систем. В основе квантовой механики лежит правило, которое иногда управляет политиками или Центрами по наблюдению Земли — пока никто не наблюдает, что-то происходит. Системы продолжают двигаться, ежеминутно находясь между всеми возможными состояниями, в том числе состояниями, которые были бы недопустимы, если бы система была фактически измерена. Эти «квантовые флуктуации» указывают на неотъемлемую особенность квантового мира: ничто всегда производит что-то, хотя бы на мгновение.