Книга: Вселенная из ничего

Глава 9: Ничто — это нечто

Глава 9: Ничто — это нечто

Исаак Ньютон, возможно, величайший физик всех времен, глубоко изменил наше представление о Вселенной во многих отношениях. Но, пожалуй, самым важным вкладом, который он внес, была демонстрация возможности того, что вся Вселенная объяснима. Своим универсальным законом всемирного тяготения он впервые продемонстрировал, что даже небеса могут подчиняться власти законов природы. Странная, враждебная, угрожающая и, казалось бы, непредсказуемая Вселенная, возможно — совсем другое дело.

Если Вселенной управляют незыблемые законы, мифические боги Древней Греции и Рима были бы бессильны. Не было бы никакой возможности произвольно изменять мир, создавая острые проблемы для человечества. Что применимо к Зевсу, будет также применимо к Богу Израиля. Как могло Солнце стоять на месте в полдень, если Солнце не вращается вокруг Земли, а его движение в небе на самом деле вызвано вращением Земли, которая, если бы вдруг остановилась, вызвала бы на своей поверхности силы, которые уничтожили бы все человеческие постройки вместе с самими людьми?

Конечно, сверхъестественные деяния являются сутью чудес. Они, в конце концов, именно те вещи, которые обходят законы природы. Бог, который может создать законы природы, вероятно, может также обойти их по своему желанию. Хотя, почему он так щедро обходил их тысячи лет назад, до изобретения современных коммуникационных инструментов, которые могли бы это зарегистрировать, а не сегодня — об этом все же стоит задуматься.

В любом случае, даже во Вселенной без каких-либо чудес, столкнувшись в корне простым основополагающим порядком, можно сделать два разных вывода. Один, сделанный самим Ньютоном, и ранее поддержанный Галилеем и многими другими учеными на протяжении многих лет, заключается в том, что такой порядок был создан божественным разумом, ответственным не только за Вселенную, но и за существование нас самих, и что мы, люди, были созданы по его образу (а другие сложные и красивые существа, по-видимому, нет!). Другой вывод заключается в том, что все, что существует — это сами законы. Эти законы сами по себе требуют, чтобы наша Вселенная возникла, развивалась и эволюционировала, а мы — неизбежный побочный продукт этих законов. Законы могут быть вечными, или они также могли возникнуть, опять же, благодаря каким-то еще неизвестным, но, возможно, чисто физическим процессам.

Философы, теологи, а иногда и ученые продолжают спорить об этих возможностях. Мы не знаем наверняка, какие из них действительно описывают нашу Вселенную, и, возможно, никогда не узнаем. Но дело в том, что, как я уже подчеркивал в самом начале этой книги, окончательным арбитром в этом вопросе будет выступать не надежда, желание, откровение или чистое размышление. Это будет, если когда-нибудь будет, исследование природы. Мечта или кошмар, — как сказал Джейкоб Броновский во вступительной цитате в этой книге (и мечты одного человека в этом случае запросто могут быть кошмаром другого), — нужны нам, чтобы испытывать наши переживания, какие они есть, и с открытыми глазами. Вселенная такова, какова она есть, нравится нам это или нет.

И здесь, я думаю, чрезвычайно важно, что Вселенная из ничего — в смысле, который я постараюсь описать — возникшая естественно, и даже неизбежно, все больше и больше соответствует тому, что мы узнали о мире. Эти знания получены не из философских или богословских размышлений о морали или других спекуляций о мире, окружающем человека. Вместо этого они основываются на замечательных и интересных достижениях в эмпирической космологии и физике частиц, которые я описал.

Поэтому я хочу вернуться к вопросу, который изложил в начале этой книги: почему (why) существует нечто, а не ничто? Очевидно, мы сейчас в лучшем положении, чтобы это исправить, рассмотрев современную научную картину мира, ее историю и ее возможное будущее, а также оперативное описание того, из чего «ничто» может фактически состоять. Как я и упоминал в начале этой книги, этот вопрос тоже был объяснен наукой, как практически все подобные философские вопросы. Вовсе не будучи сформулированными так, чтобы навязать нам необходимость творца, сами значения упомянутых слов настолько изменились, что фраза во многом утратила свое первоначальное значение — обычная ситуация, когда эмпирическое знание проливает новый свет на темные уголки нашего воображения.

В то же время, в науке мы должны быть особенно осторожны с вопросом «why». Когда мы спрашиваем: «why?» мы обычно подразумеваем не «зачем?», а «почему?» или «как?» Если мы можем ответить на последний вопрос, этого, как правило, достаточно для наших целей. Например, мы могли бы спросить: «Зачем (why) Земля оказалась в 93 миллионах миль от Солнца?», — но, что мы на самом деле, вероятно, имеем в виду: «Почему (как получилось, что) Земля оказалась в 93 миллионах миль от Солнца?» То есть, нам интересно, какие физические процессы привели к тому, что Земля оказалась в ее нынешнем положении. «Why» неявно предполагает цель, а когда мы пытаемся понять солнечную систему с научной точки зрения, мы обычно не приписываем ей цель.

Так что я буду считать, что этот вопрос на самом деле означает: «Почему (как получилось, что) существует нечто, а не ничто?» Вопросы «почему?», «как получилось?» на самом деле единственные, на которые мы можем дать окончательные ответы, изучая природу, но поскольку эта фраза звучит довольно непривычно, я надеюсь, вы простите меня, если иногда будет казаться, что я использую более стандартную формулировку, когда на самом деле пытаюсь ответить на более конкретный вопрос «почему?»

Даже здесь, с точки зрения подлинного понимания, этот особый вопрос «почему?» был вытеснен массой более полезных в оперативном плане вопросов, таких как: «Что могло привести к свойствам Вселенной, которые наиболее ярко ее характеризуют в настоящее время?» или, возможно, более важный, «Как мы можем это узнать?».

Здесь я хочу еще раз, как может показаться, потратить время попусту. Вопросы, сформулированные таким образом, позволяют получать новые знания и понимание. Это то, что отличает их от чисто богословских вопросов, которые обычно предполагают заранее известные ответы. Действительно, некоторые богословы требовали, чтобы я представил доказательства, опровергающие предпосылку, что богословие не вносит свой вклад в знания, по крайней мере, в последние пятьсот лет, со времен зарождения науки. До сих пор никто не предоставил контрпримеров. Максимум, что меня когда-либо спрашивали в ответ, было: «Что вы имеете в виду под знаниями?» С гносеологической точки зрения это может быть сложный вопрос, но я утверждаю, что, если бы была лучшая альтернатива, кто-то ее представил бы. Если бы я представил ту же проблему биологам, или психологам, или историкам, или астрономам, никого из них это не привело бы в большое замешательство.

Ответы на подобного рода полезные вопросы подразумевают теоретические предсказания, которые можно проверить с помощью экспериментов, чтобы продвигать наши нынешние знания о Вселенной вперед более непосредственно. Отчасти по этой причине я сосредоточился на таких полезных вопросах до этого момента в этой книге. Тем не менее, вопрос «чего-то из ничего» продолжает оставаться актуальным, и поэтому, вероятно, должен быть рассмотрен.

Работы Ньютона резко сократили возможную сферу божьей деятельности, независимо от того, считаете ли вы разумность неотъемлемым свойством Вселенной. Мало того, что законы Ньютона строго ограничивали свободу действий Бога, они обходились без необходимости различных сверхъестественных вмешательств. Ньютон открыл, что движение планет вокруг Солнца не требует, чтобы их постоянно толкали по пути, а скорее, и очень неинтуитивно, требует, чтобы их тянула сила, действующая в направлении Солнца, вследствие чего отпадает необходимость ангелов, которые, как часто считалось ранее, определяли пути движения планет. Хотя возможность обходиться без специального использования ангелов не оказало большого влияния на готовность людей в них верить (опросы показывают, что в Соединенных Штатах в ангелов верят гораздо больше людей, чем в эволюцию), справедливости ради стоить отметить, что прогресс в науке со времен Ньютона еще более строго ограничил возможности руки Божией, проявлявшуюся в его предполагаемых рукописях.

Мы можем описать эволюцию Вселенной с самых ранних моментов Большого Взрыва, не нуждаясь особо ни в чем, кроме известных физических законов, и мы также описали возможную будущую историю Вселенной. Конечно, есть еще загадки во Вселенной, которые мы не понимаем, но я буду считать, что читатели этой книги не являются приверженцами доказательства существования Бога, основанного на пробелах в знаниях, когда к Богу прибегают всякий раз, когда в наших наблюдениях есть что-то особое, что кажется странным или совершенно непонятным. Даже богословы признают, что такое обращение за помощью не только уменьшает величие их всевышнего существа, но и доводит до его устранения или дальнейшего вытеснения, когда новая работа объясняет или раскрывает загадку.

В этом смысле аргумент «что-то из ничего» действительно пытается сфокусироваться на начальном акте творения и спрашивает, может ли научное объяснение когда-либо быть логически законченным и полностью удовлетворительным при решении этой конкретной проблемы.

Получается, что, учитывая наше нынешнее понимание природы, существуют три различных, отдельных смысла вопроса «чего-то из ничего». Короткий ответ на каждый из них — «вполне вероятное да», и я буду рассматривать каждый по очереди в остальной части этой книги, пытаясь объяснить, почему (why), или, как я только что доказывал, еще лучше, как.

Бритва Оккама предполагает, что, если некоторое событие физически вероятно, нам не нужно прибегать к более экстраординарным его объяснениям. Конечно всемогущее божество, которое каким-то образом существует за пределами нашей Вселенной, или мультивселенной, одновременно управляя тем, что происходит внутри нее, является одним из таких объяснений. Таким образом, оно должно быть последним, а не первым, спасительным объяснением.

Я уже обсуждал в предисловии к этой книге, что просто определить «ничто» как «небытие» недостаточно, чтобы предположить, что физика, и наука в общем, непригодна для решения этого вопроса. Позвольте мне привести здесь дополнительные, более конкретные аргументы. Рассмотрим электрон-позитронную пару, которая спонтанно образуется из пустого пространства вблизи ядра атома и влияет на свойства этого атома в течение короткого времени, пока пара существует. В каком смысле электрон или позитрон существовали до этого? Конечно, по любому здравомыслящему определению они не существовали. Конечно, был потенциал для их существования, но он определяет бытие не более, чем потенциал рождения человека определяется тем, что я несу сперму в яичках поблизости от женщины, у которой овуляция, и мы с ней могли бы спариться. Действительно, лучший ответ, который я когда-либо слышал, на вопрос, на что похоже быть мертвым (то есть, пребывать в небытии) — это представить, как вы себя чувствовали, до того как были зачаты. В любом случае, если бы потенциал существования был бы то же самое, что существование, то я уверен, что к настоящему времени мастурбация была бы такой же больной темой, как аборт сейчас.

Проект «Происхождение» в университете штата Аризона, которым я руковожу, недавно провел семинар по происхождению жизни, и я не могу не рассматривать настоящее обсуждение космологии в этом контексте. Мы еще не в полной мере поняли, как возникла жизнь на Земле. Тем не менее, у нас есть не только правдоподобные химические механизмы, посредством которых это могло быть возможно, но мы также подходим каждый день всё ближе и ближе к конкретным путям, которые могли бы позволить биомолекулам, включая РНК, возникнуть естественным образом. Более того, теория эволюции Дарвина, основанная на естественном отборе, дает убедительно точную картину того, как сложная жизнь возникла на этой планете, независимо от того, какая конкретная химия создала первую точно самовоспроизводящуюся клетку с обменом веществ, который захватывал энергию из окружающей среды. (Наилучшее определение жизни, которое я могу придумать на данный момент.)

Так же, как Дарвин, хотя и неохотно, устранил необходимость божественного вмешательства в эволюцию современного мира, кишащего разнообразной жизнью повсюду на этой планете (хотя он и оставил открытую дверь для возможности того, что Бог помог вдохнуть жизнь в первые формы), наше современное понимание Вселенной, ее прошлого и ее будущего, сделало более правдоподобным, что «нечто» может возникнуть из ничего, без необходимости какого-либо божественного вмешательства. Из-за наблюдений и сопряженных с ними теоретических трудностей, связанных с разработкой деталей, я ожидаю, что мы, возможно, никогда не достигнем в этом отношении большего, чем правдоподобие. Но само правдоподобие, на мой взгляд, является огромным шагом вперед, поскольку мы продолжаем мобилизовать мужество жить полноценной жизнью во Вселенной, которая, скорее всего, появилась, и может исчезнуть, без цели, и, конечно, без нас в своем центре.

Давайте теперь вернемся к одной из самых замечательных особенностей нашей Вселенной: что она настолько близка к плоской, насколько мы можем измерить. Я напоминаю вам об уникальном аспекте плоской Вселенной, по крайней мере, в масштабах, где доминирует материя в виде галактик, и где ньютоновское приближение остается в силе: в плоской Вселенной, и только в плоской Вселенной, в среднем ньютоновская гравитационная энергия каждого объекта, принимающего участие в расширении, точно равна нулю.

Я подчеркиваю, что это был проверяемый постулат. Не обязательно должно быть так. Для этого не требуется ничего, кроме теоретических спекуляций, основанных на рассмотрении Вселенной, которая могла возникнуть естественным образом из ничего, или, по крайней мере, почти из ничего.

Я не могу переоценить ни важность того факта, что, как только в наше рассмотрение природы включается гравитация, больше нельзя считать полную энергию системы произвольной, ни того факта, что есть как положительные, так и отрицательные составляющие этой энергии. Общая гравитационная энергия объектов, разносимых расширением Вселенной, не подлежит произвольному определению, вопросом определения является лишь геометрическая кривизна Вселенной. Это свойство самого пространства, согласно общей теорией относительности, и это свойство пространства определяется энергией, которая в нем содержится.

Я это говорю, потому высказывалось мнение, что заявление о том, что средняя суммарная ньютоновская гравитационная энергия каждой галактики в плоской, расширяющейся Вселенной равна нулю, произвольно, и что любое другое значение было бы так же хорошо, но, что ученые «установили» нулевую точку, чтобы опровергнуть Бога. Во всяком случае, так утверждал Динеш Д'Соуза в дебатах с Кристофером Хитченсом о существовании Бога.

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.