Вселенная из ничего - Лоуренс Краусс

Даже если бы асимметрия составляла 1 часть на миллиард, осталось бы достаточно материи, чтобы объяснить все, что мы видим во Вселенной сегодня. На самом деле, асимметрия примерно в 1 часть на миллиард — это именно то, что требуется, потому что сегодня в космическом микроволновом фоне есть примерно 1 млрд. фотонов на каждый протон во Вселенной. В этой картине фотоны реликтового излучения являются остатками ранней аннигиляции материи-антиматерии в начале времен.

Окончательное описание того, как этот процесс мог произойти в ранней Вселенной, в настоящее время отсутствует, потому что мы еще не в полной мере эмпирически установили детальные особенности микрофизического мира на масштабах, где эта асимметрия, скорее всего, образовалась. Тем не менее, было изучено множество различных вероятных сценариев, основанных на лучших современных идеях, которые есть у нас о физике в этих масштабах. Хотя они и отличаются в деталях, все они имеют одни и те же общие особенности. Квантовые процессы, связанные с элементарными частицами в первозданной горячей ванне, могут неотвратимо превращать пустую вселенную (или, что эквивалентно, исходную вселенную с симметрией материя-антиматерия) почти незаметно во вселенную, в которой будет доминировать материя или антиматерия.

Если она могла пойти любым путем, было ли тогда случайностью, что в нашей Вселенной стала преобладать материя? Представьте себе, что вы стоите на вершине высокой горы и спотыкаетесь. Направление, в котором вы падаете, не было предопределено, а скорее случайно, в зависимости от того, в какую сторону вы смотрели или в какой момент ходьбы споткнулись. Возможно, это похоже на нашу Вселенную, и даже если законы физики неизменны, конечное направление асимметрии между материей и антиматерией было обусловлено каким-то случайным начальным условием (как и в случае спотыкания и падения вниз с горы, закон гравитации нерушим и определяет, что вы упадете, но направление может быть случайным). Еще раз, само наше существование в этом случае было бы случайностью, вызванной внешними условиями.

Однако, независимо от этой неопределенности, удивительно то, что особенности основных законов физики могут позволить квантовым процессам увести вселенную от непримечательного состояния. Физик Фрэнк Вильчек, который был одним из первых теоретиков, изучивших эти возможности, напомнил мне, что он использовал точно тот же язык, что и я в этой главе, когда в статье в «Scientific American» 1980 года он писал об асимметрии материи-антиматерии во Вселенной. После описания того, как асимметрия материи-антиматерии могла правдоподобно возникнуть в ранней Вселенной на основе нашего нового понимания физики элементарных частиц, он добавил, что это дает один из способов ответить на вопрос, почему существует нечто, а не ничто: ничто нестабильно.

Суть, которую подчеркивал Франк, состоит в том, что измеренное преобладание материи над антиматерией во Вселенной, на первый взгляд, является препятствием, чтобы представить себе Вселенную, которая могла возникнуть в результате нестабильности в пустом пространстве, с небытием, породившим Большой Взрыв. Но если эта асимметрия могла возникнуть динамически после Большого Взрыва, этот барьер устраняется. Как он выразился:

Можно предположить, что Вселенная зародилась в наиболее симметричном из возможных состояний, и что в таком состоянии никакой материи не существовало; вселенная была вакуумом. Было второе состояние, и в нем существовала материя. Второе состояние имело немного меньшую симметрию, но было также ниже по энергии. В конце концов, возник участок менее симметричной фазы и быстро рос. Энергия, выделяемая этим преобразованием, обрела форму при создании частиц. Это событие можно рассматривать как Большой Взрыв. Ответом на древней вопрос: «Почему существует нечто, а не ничто?», — было бы, что «ничто» нестабильно.

Прежде чем продолжить, я, однако, снова напомню о сходстве между темой, которую я только что рассмотрел, об асимметрии материи-антиматерии, и обсуждением, которое мы проводили на нашем недавнем семинаре «Origins» по изучению наших сегодняшних представлений о природе жизни во Вселенной и ее происхождении. Я говорил, что эти фундаментальные проблемы удивительно похожи: какие специфические физические процессы в начальные моменты истории Земли могли привести к созданию первых реплицирующихся биомолекул и метаболизму? Как и в 1970-е годы в физике, в последнее десятилетие наблюдается невероятный прогресс в области молекулярной биологии. Мы узнали о естественных органических путях, которые, например, могли бы произвести, при приемлемых условиях, рибонуклеиновые кислоты, бывшие долгое время предшественницами нашего современного ДНК-мира. До недавнего времени считалось, что такой прямой путь невозможен, и что ключевую роль должны были играть какие-то другие промежуточные формы.

Теперь мало кто из биохимиков и молекулярных биологов сомневается, что жизнь могла естественным образом возникнуть из неживого, хотя в деталях еще предстоит разобраться. Но когда мы все это обсуждали, все наши работы пронизывала общая мысль: должна ли жизнь, которая впервые сформировалась на Земле, иметь химию, какую она имеет, или есть много других, одинаково эффективных возможностей?

Эйнштейн однажды задал вопрос, который, по его словам, был тем, что он действительно хотел знать о природе. Должен признать, что это самый глубокий и фундаментальный вопрос, на который многие из нас хотели бы ответить. Он сформулировал его следующим образом: «Я хочу знать, был ли у Бога выбор при создании Вселенной».

Я комментирую это потому, что Бог Эйнштейна не был библейским Богом. Для Эйнштейна существование во Вселенной порядка приносило чувство такого глубокого удивления, что он ощущал к нему духовную привязанность и называл, побуждаемый Спинозой, прозвищем «Бог». В любом случае, то, что Эйнштейн действительно имел здесь в виду, был вопрос, который я только что описал в контексте нескольких различных примеров: являются ли законы природы уникальными? И уникальна ли Вселенная, в которой мы живем, возникшая вследствие этих законов? Если изменить один аспект, одну константу, одну силу, даже самую маленькую, не разрушится ли все здание? В биологическом смысле, является ли биология жизни уникальной? Уникальны ли мы во Вселенной? К обсуждению этого наиболее важного вопроса мы вернемся позже в этой книге.

Хотя такое обсуждение приведет нас к дальнейшему улучшению и обобщению понятий «ничто» и «нечто», я хочу вернуться к предпринятым промежуточным шагам по изложению довода о неизбежности создания чего-то.

Как я уже определил ранее, рассматриваемым «ничто», из которого возникло наше наблюдаемое «нечто», является «пустое пространство». Однако как только мы сделаем возможным слияние квантовой механики и общей теории относительности, мы можем расширить этот аргумент на случай, когда возникает само пространство.

Общая теория относительности, будучи теорией гравитации, является, по своей сути, теорией пространства и времени. Как я указывал в самом начале этой книги, это означает, что это была первая теория, которая могла рассматривать динамику не только объектов, движущихся в пространстве, но и то, как развивается само пространство.

Поэтому наличие квантовой теории гравитации означало бы, что правила квантовой механики будут применяться к свойствам пространства, а не только к свойствам объектов, существующих в пространстве, как в обычной квантовой механике.

Расширить квантовую механику, чтобы включить такую возможность, сложно, но математическое представление, разработанное Ричардом Фейнманом, которое привело к современному пониманию происхождения античастиц, хорошо подходит для выполнения этой задачи. Методы Фейнмана сосредотачиваются на ключевом факте, о котором я упоминал в начале этой главы: квантовомеханические системы изучают все возможные траектории, даже те, которые классически запрещены, по мере того как они эволюционируют во времени.

С целью их изучения Фейнман разработал «формулировку через интеграл по траекториям», чтобы делать прогнозы. В этом методе мы рассматриваем все возможные траектории между двумя точками, которыми может следовать частица. Потом мы назначаем вероятностную оценку для каждой траектории на основе четко определенных принципов квантовой механики, а затем суммируем по всем путям, чтобы определить окончательные (вероятностные) предсказания для движения частиц.

Стивен Хокинг был одним из первых ученых, в полной мере развивших эту идею до возможной квантовой механики пространства-времени (объединения нашего трехмерного пространства с одним измерением времени, чтобы сформировать четырехмерную единую пространственно-временную систему, как этого требует специальная теория относительности Эйнштейна). Достоинством методов