Книга: Вселенная из ничего

Глава 10: Нестабильное ничто

<<< Назад Глава 9: Ничто — это нечто

Вперед >>> Глава 11: Дивные новые миры

Глава 10: Нестабильное ничто

Fiat justitia, ruat caelum.

(Пусть свершится правосудие и рухнет небо).

— Древнеримская поговорка

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.

Но вот беда. Сохранение энергии говорит нам, что квантовые системы могут нарушать закон лишь на небольшое время. Как при присвоении денег биржевым брокером, если состояние, в котором колеблется система, тайком присвоит некоторое количество энергии пустого пространства, то система должна вернуть эту энергию во время, достаточно короткое, чтобы никто, производящий измерения в системе, не смог этого обнаружить.

В результате, вы можете позволить себе с уверенностью утверждать, что это «что-то», созданное квантовыми флуктуациями, эфемерно — не поддается измерению, в отличие, скажем, от вас, или меня, или Земли, на которой мы живем. Но это эфемерное творение тоже подвержено условиям, связанным с нашими измерениями. Рассмотрим, например, электрическое поле, распространяемое заряженным объектом. Оно, безусловно, реально. Вы можете почувствовать воздействие статического электричества на волосы или наблюдать воздушный шарик, прилипший к стене. Однако квантовая теория электромагнетизма предполагает, что статическое поле возникает в результате излучения, благодаря заряженным частицам, участвующим в создании поля, виртуальным фотонам, обладающим, по существу, нулевой полной энергией. Эти виртуальные частицы, поскольку имеют нулевую энергию, могут распространяться по всей Вселенной, не исчезая, а поле, за счет суперпозиции многих из них, настолько реально, что его можно почувствовать.

Иногда условия таковы, что реальные, массивные частицы могут фактически выскочить из пустого пространства безнаказанно. В одном примере две заряженные пластины сводят близко друг к другу и, как только электрическое поле между ними становится достаточно сильным, для реальной пары частица-античастица становится выгодным «выглянуть» из вакуума, с отрицательным зарядом, направленным к положительной пластине, и положительным зарядом, направленным к отрицательной. При этом вполне возможно, что снижение энергии, обусловленное снижением суммарного заряда на каждой из пластин, и, следовательно, электрического поля между ними, может быть больше, чем энергия, связанная с энергией массы покоя, необходимой для получения двух реальных частиц. Конечно, напряженность поля должна быть огромной, чтобы такое условие было возможным.

Фактически существует место, где явление, похожее на то, что описано выше, может происходить благодаря сильным полям иного рода, в данном случае благодаря гравитации. Осознание этой идеи фактически сделало Стивена Хокинга известным среди физиков в 1974 году, когда он показал, что черные дыры, за пределы которых, по крайней мере, при отсутствии квантово-механических факторов, ничто не может вырваться, могли бы излучать физические частицы.

Есть много разных способов пытаться понять это явление, но один из них поразительно схож с ситуацией, которую я описал выше с электрическими полями. Внешняя поверхность ядра черных дыр является радиусом, называемым «горизонтом событий». Из-за горизонта событий ни один объект не может классически вырваться, потому что вторая космическая скорость превышает скорость света. Таким образом, даже свет, излучаемый внутри этой области, не может выбраться за пределы горизонта событий.

А теперь представьте, что пара частица-античастица зарождается из пустого пространства сразу за горизонтом событий благодаря квантовым флуктуациям в этой области. Одна из частиц может фактически попасть внутрь горизонта событий, и при этом, падая в черную дыру, потерять достаточно гравитационной энергии, чтобы эта энергия вдвое превышала массу покоя обеих частиц. Это означает, что частица-партнер может улететь в бесконечность и быть наблюдаемой без нарушения закона сохранения энергии. Общая положительная энергия, связанная с испускаемой частицей, с лихвой компенсируется потерей энергии, которую испытывает ее частица-партнер, падающая в черную дыру. Поэтому черная дыра может испускать частицы.

Однако ситуация становится еще более интересной, из-за того что энергия, теряемая падающей внутрь частицей, больше, чем положительная энергия, связанная с ее массой покоя. В результате, когда она падает в черную дыру, общая система черной дыры плюс частицы на самом деле обладает меньшей энергией, чем это было до того, как частица в нее упала! Черная дыра поэтому фактически становится светлее, когда частица попадает внутрь, на величину, которая эквивалентна энергии, уносимой излучаемой, сбежавшей частицей. В конце концов, черная дыра может испариться полностью. На данный момент мы этого не знаем, потому что конечные стадии испарения черных дыр включают физику на таких малых масштабах расстояний, что одна только общая теория относительности не может дать нам окончательный ответ. На этих масштабах гравитация должна рассматриваться как полностью квантово-механическая теория, и нашего нынешнего понимания общей теории относительности не достаточно, чтобы точно выяснить, что произойдет.

Тем не менее, все эти явления говорят о том, что при правильных условиях что-то не только может появиться из ничего, но и должно.

В космологии один из первых примеров того, что «ничто» может быть нестабильным и образовать что-то, был получен благодаря попыткам понять, почему мы живем во Вселенной материи.

Вы, наверное, просыпаясь каждое утро, не спрашиваете об этом, но тот факт, что наша Вселенная содержит материю, замечателен. А особо замечательно в нем то, что, насколько мы можем судить, наша Вселенная не содержит в значительном количестве антиматерию, которая, как вы помните, предусматривается квантовой механикой и теорией относительности, так что для каждой частицы, известной нам в природе, может существовать эквивалентная античастица с противоположным зарядом и той же массой. Казалось бы, любая разумная Вселенная в момент создания будет содержать равное количество частиц обоих видов. В конце концов, античастицы обычных частиц имеют такую же массу и подобные другие свойства, так что если частицы были созданы в начале времен, было бы столь же легко создать античастицы.

С другой стороны, мы могли бы даже представить себе вселенную антиматерии, в которой все частицы, составляющие звезды и галактики, были бы заменены на их античастицы. Такая Вселенная казалась бы почти идентичной той, в которой мы живем. Наблюдатели в такой вселенной (сами состоящие из антиматерии), то, что мы называем антиматерией, несомненно, назвали бы материей. Название произвольно.

Однако если наша Вселенная возникла разумно, с равным количеством материи и антиматерии, и осталась такой, нас бы не было, чтобы спрашивать: «зачем?», «почему?» или «как?» Причина в том, что все частицы материи аннигилировали бы со всеми частицами антиматерии в ранней Вселенной, не оставив ничего, кроме чистого излучения. Никакой материи или антиматерии не осталось бы, чтобы создать звезды, или галактики, или создать любовников или антилюбовников, которые могли бы в один прекрасный день полюбоваться и испытать страсть от зрелища ночного неба в объятиях друг друга. Никакой драмы. История состояла бы из пустоты, ванн излучения, которые медленно охлаждались бы, что привело бы в конечном счете к холодной, темной, мрачной вселенной. Небытие бы безраздельно властвовало.

Однако в 1970 году ученые начали понимать, что, в раннем, горячем, плотном Большом Взрыве сначала могло возникнуть равное количество материи и антиматерии, и в рамках вероятных квантовых процессов «возникло что-то из ничего» благодаря установлению небольшой асимметрии, с небольшим избытком материи над антиматерией в ранней Вселенной. Затем, вместо полной аннигиляции материи и антиматерии, что не дало бы сегодня ничего, кроме чистого излучения, вся имеющаяся антиматерия в ранней Вселенной могли бы быть уничтожена материей, но небольшой избыток материи мог не иметь сопоставимого количества антиматерии, чтобы аннигилировать, и остался. Это привело бы ко всей материи, составляющей звезды и галактики, которые мы видим во Вселенной сегодня.

В результате то, что в противном случае могло бы показаться небольшим достижением (установление небольшой асимметрии в ранние времена), можно вместо этого считать практически моментом создания. Потому что как только асимметрия между материей и антиматерией была создана, ничто могло позже их разбросать. Будущая история Вселенной, полной звезд и галактик, была по существу написана. Частицы антиматерии аннигилировали бы с частицами материи в ранней Вселенной, а остальной избыток частиц материи сохранился бы до сегодняшнего дня, сформировав состав видимой Вселенной, которую мы знаем и любим, и в которой живем.

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

Фейнмана было то, что фокусировка на всех возможных путях означает, что результаты можно отобразить в зависимости от конкретных пространственных и временных меток, относящихся к каждой точке на каждом пути. Поскольку теория относительности говорит нам, что различные наблюдатели, движущиеся друг относительно друга, будут измерять расстояние и время по-разному, и поэтому присваивать различные значения каждой точке в пространстве и времени, математический подход, независимый от различных меток, которые различные наблюдатели могут назначить каждой точке в пространстве и времени, особенно полезен.

И наиболее полезен он, возможно, с учетом общей теории относительности, где особая маркировка точек пространства и времени становится совершенно произвольной, так что разные наблюдатели в разных точках в гравитационном поле измеряют расстояния и время по-разному, и все, что в конечном счете определяет поведение системы, представляет собой геометрическую величину, вроде кривизны, которая оказывается не зависящей от всех подобных схем маркировки.

Как я уже несколько раз упоминал, общая теория относительности не полностью согласуется с квантовой механикой, по крайней мере, насколько мы можем судить, и, следовательно, нет вполне однозначного метода для определения техники интегрирования по траектории Фейнмана в общей теории относительности. Поэтому мы должны сделать некоторые предположения заранее, опираясь на вероятность, и проверить, имеют ли результаты смысл.

Если мы хотим рассмотреть квантовую динамику пространства и времени, то надо понимать, что в «суммах» Фейнмана, необходимо учитывать все различные возможные конфигурации, описываемые различными геометриями, которые пространство может принимать на промежуточных стадиях любого процесса, когда царит квантовая неопределенность. Это означает, что мы должны рассмотреть пространство, которое сильно изогнуто произвольным образом на малых расстояниях и коротких временах (настолько коротких и малых, что мы не можем их измерить, так что квантовые странности могут царствовать безраздельно). Эти странные конфигурации при этом не наблюдались бы многочисленными классическими наблюдателями, такими как мы, когда мы пытаемся определить свойства пространства на больших расстояниях и временах.

Но давайте рассмотрим еще более странные возможности. Вспомните, что, в квантовой теории электромагнетизма частицы могут произвольно выскакивать из пустого пространства, при условии, что они снова исчезают за время, определяемое принципом неопределенности. Тогда, по аналогии, в квантовой сумме Фейнмана при возможных пространственно-временных конфигурациях, нужно ли рассматривать возможность небольших, компактных пространств, которые сами появляются и исчезают? В более общем смысле, как насчет пространств, которые могут иметь «дыры» или «ручки», как пончики, макаемые в пространство-время?

Это открытые вопросы. Однако если нельзя придумать серьезное основание для исключения таких конфигураций из квантово-механической суммы, которая определяет свойства развивающейся вселенной, а на сегодняшний день, насколько я знаю, таких оснований не существует, то в соответствии с общим принципом, который остается в силе везде, где я знаю, в природе, а именно, что все не запрещенное законами физики фактически должно произойти, это представляется наиболее оправданным при рассмотрении этих возможностей.

Как подчеркнул Стивен Хокинг, квантовая теория гравитации допускает создание, хотя, возможно, на мгновение, самого пространства, где его раньше не было. Несмотря на то, что в своей научной работе он не пытался решить загадку «чего-то из ничего», ее фактически может окончательно решить квантовая гравитация.

«Виртуальные» вселенные, то есть возможные, небольшие, компактные пространства, которые могут неожиданно появляться и исчезать на время столь короткое, что мы не можем его измерить непосредственно — это замечательные теоретические конструкции, но они, похоже, не объясняют, как что-то может возникнуть из ничего на более продолжительное время, большее, чем это делают виртуальные частицы, заполняющие в остальном пустое пространство.

Однако напомню, что ненулевое реальное электрическое поле, наблюдаемое на больших расстояниях от заряженной частицы, может быть результатом когерентного излучения множества виртуальных фотонов с нулевой энергией. Причина в том, что виртуальные фотоны, которые несут нулевую энергию, при излучении не нарушают закона сохранения энергии. Принцип неопределенности Гейзенберга, следовательно, не налагает на них ограничение, что они могут существовать только очень короткое время, прежде чем они должны быть поглощены и канут обратно в небытие. (Опять же напомню, что принцип неопределенности Гейзенберга утверждает, что неопределенность, с которой мы измеряем энергию частицы, и, следовательно, возможность того, что ее энергия может незначительно измениться путем испускания и поглощения виртуальных частиц, обратно пропорциональна времени, в течение которого мы ее наблюдаем. Таким образом, виртуальные частицы, несущие нулевую энергию, могут делать это, по сути, безнаказанно, а именно, они могут существовать сколь угодно долгое время и перемещаться сколь угодно далеко, пока не поглотятся… что приводит к возможности существования долговременного взаимодействия между заряженными частицами. Если бы фотон не был безмассовым, вследствие чего фотоны всегда несли бы ненулевую энергию за счет массы покоя, принцип неопределенности Гейзенберга означал бы, что электрическое поле имело бы малый радиус действия, потому что фотоны могли бы распространяться только в течение короткого времени, не будучи поглощенными снова.)

Аналогичные аргументы предполагают, что можно себе представить один определенный тип вселенной, которая могла спонтанно появляться, и которой не нужно было после этого почти сразу исчезать из-за ограничений принципа неопределенности и закона сохранения энергии. А именно, компактную вселенную с нулевой полной энергией.

Итак, лучшее, что я хотел бы предположить — что это именно та Вселенная, в которой мы живем. Это был бы простой выход, но я больше заинтересован здесь в том, чтобы быть верным нашему современному пониманию Вселенной, чем в принятии якобы легких и убедительных доводов создания ее из ничего.

Я доказывал, и, надеюсь, убедительно, что средняя ньютоновская гравитационная энергия каждого объекта в нашей плоской Вселенной равна нулю. И это так. Но это не вся история. Гравитационная энергия — не вся энергия любого объекта. К этой энергии мы должны добавить его энергию покоя, связанную с его массой покоя. Иными словами, как уже было описано ранее, гравитационная энергия покоящегося объекта, изолированного от всех других объектов на бесконечное расстояние, равна нулю, потому что если он находится в состоянии покоя, он не имеет кинетической энергии движения, и если он бесконечно далеко от всех других частиц, гравитационная сила, действующая на него со стороны других частиц, которая могла бы дать возможность потенциальной энергии совершать работу, также практически равна нулю. Однако, согласно Эйнштейну, его полная энергия не просто обусловлена гравитацией, но также включает энергию, связанную с его массой, таким образом, как мы прекрасно знаем, E = mc².

Для того чтобы учесть эту энергию покоя, мы должны перейти от ньютоновской гравитации к общей теории относительности, которая, по определению, включает эффекты специальной теории относительности (и E = mc²) в теорию гравитации. И здесь все становится тоньше и запутаннее. На малых масштабах по сравнению с возможной кривизной Вселенной, и пока все объекты в этих масштабах движутся медленно по сравнению со скоростью света, общая релятивистская версия энергии возвращает нас к определению, известному нам от Ньютона. Однако, как только эти условия больше не соблюдаются, почти все эти законы отменяются.

Частично проблема заключается в том, что, оказывается, энергия, как мы обычно ее понимаем в других разделах физики — не особенно четко определенное понятие на больших масштабах в искривленной вселенной. Различные способы определения системы координат для описания различных характеристик, которые различные наблюдатели могут назначать точкам в пространстве и времени (называемые различными «координатными реперами») могут привести, на больших масштабах, к различным результатам расчета полной энергии системы. Для того чтобы учесть этот эффект, мы должны обобщить понятие энергии, и, более того, если мы хотим определить полную энергию, содержащуюся в любой вселенной, мы должны рассмотреть, как складываются энергии во вселенных, которые могут быть бесконечны в пространственном отношении.

Ведется много дебатов, как именно это сделать. Научная литература изобилует утверждениями и контрутверждениями по этому поводу.

Однако одно можно сказать наверняка: существует одна вселенная, в которой полная энергия безусловно и точно равна нулю. Однако это не плоский мир, который в принципе бесконечен в пространственном отношении, и, следовательно, вычисление полной энергии становится проблематичным. Это замкнутая вселенная, в которой плотность материи и энергии достаточна, чтобы привести к тому, что пространство замыкается само на себя. Как я уже описал, в замкнутой вселенной, если вы посмотрите достаточно далеко в одном направлении, то в конечном итоге увидите свой затылок!

Причина, по которой энергия замкнутой вселенной равна нулю, на самом деле относительно проста. Проще всего рассмотреть результат по аналогии с тем, что в замкнутой вселенной полный электрический заряд также должен быть равен нулю.

Со времен Майкла Фарадея мы представляем себе электрический заряд как источник электрического поля (обусловленного, говоря современным квантовым языком, излучением виртуальных фотонов, как я описал выше). Графически мы представляем «силовые линии» исходящими радиально от заряда, при этом число силовых линий пропорционально заряду, а направление силовых линий ориентировано наружу для положительных зарядов и внутрь для отрицательных, как показано ниже.

Мы представляем эти силовые линии уходящими в бесконечность, и по мере распространения расходящимися все дальше друг от друга. Это означает, что напряженность электрического поля становится слабее и слабее. Тем не менее, в замкнутой Вселенной силовые линии, связанные, например, с положительным зарядом, могут начать распространяться, но, в конце концов, так же как и линии долготы на карте Земли, собираются вместе на Северном и Южном полюсах, силовые линии от положительного заряда соберутся снова на противоположной стороне Вселенной. По мере того как они сходятся, поле будет становиться все сильнее и сильнее, пока не будет достаточно энергии для создания отрицательного заряда, который может «съесть» силовые линии в этой антиподной точке Вселенной.

Оказывается, очень похожий аргумент, в данном случае связанный не с «потоком» силовых линий, а с «потоком» энергии в замкнутой Вселенной, говорит нам, что общая положительная энергия, в том числе связанная с массой покоя частицы, должна точно компенсироваться отрицательной гравитационной энергией, так что полная энергия в точности равна нулю.

Поэтому если полная энергия замкнутой Вселенной равна нулю, и если математика суммы по всем путям квантовой гравитации уместна, то в квантовомеханическом смысле такие вселенные могли появиться спонтанно и безнаказанно, не неся чистой энергии. Я хочу подчеркнуть, что в этих вселенных будет полностью независимые пространства-времена, не связанные с нашим собственным.

Однако есть одна загвоздка. Закрытая, расширяющаяся вселенная, заполненная материей, как правило, расширяется до максимального размера, а затем столь же быстро реколлапсирует, оказавшись в пространственно-временной сингулярности, где нейтральная зона квантовой гравитации в настоящее время не может сказать нам, какова будет ее окончательная судьба. Характерное время жизни крошечных закрытых вселенных поэтому будет микроскопическим, возможно, порядка «планковского времени», сравнимым с масштабом, на котором должны работать квантовые гравитационные процессы, примерно 10^-44 секунд.

Однако существует ли выход из этой дилеммы. Если, прежде чем такая вселенная сможет коллапсировать, конфигурация полей в ней вызовет период инфляции, то даже изначально крошечная замкнутая вселенная может быстро, экспоненциально расшириться, становясь в этот период все ближе и ближе к бесконечно большой, плоской вселенной. После того, как такая инфляция удвоит вселенную приблизительно сто раз, вселенная будет так близка к плоской, что может легко сохраняться гораздо дольше, чем наша Вселенная уже существует без коллапсирования.

В действительности, существует другая возможность, та, которая всегда вызывает во мне небольшой приступ ностальгии (и зависти), потому что представляет для меня важный опыт в обучении. Когда я впервые проводил постдокторан-турное научное исследование в Гарварде, я играл с возможной квантовой механикой гравитационных полей, и узнал о результатах, полученных хорошим другом из аспирантуры, Яном Аффлеком. Канадец, бывший аспирантом в Гарварде, когда я был в Массачусетском технологическом институте, Аффлек вступил в Общество стипендиатов за несколько лет до меня и использовал математическую теорию Фейнмана, которую мы теперь применяем для описания элементарных частиц и полей, названную квантовой теорией поля, чтобы вычислить, как можно получить частицы и античастицы в сильном магнитном поле.

Я понял, что форма решения, описанная Яном и названная «инстантоном», очень сильно напоминает инфляцию Вселенной, если применить ее формулы к гравитации. Но это было похоже на раздувание Вселенной, которая возникла из ничего! Прежде, чем описать этот результат, я хочу обратиться к своим собственным сомнениям относительно интерпретации того, какой физике такое математическое решение могло бы соответствовать. Однако вскоре я узнал, что, пока я размышлял, будущий очень изобретательный космолог, которого я упомянул ранее, Алекс Виленкин, который с тех пор стал моим другом, как раз только что написал статью, в которой точно описал способ, каким именно образом квантовая гравитация действительно может создать раздувающуюся Вселенную непосредственно из ничего. Меня опередили, но мне не стоит огорчаться, потому что (a) в тот момент я, откровенно говоря, не понимал в деталях, что я делаю, и (б) Алекс имел смелость предложить такое, что я в то время не предложил бы. С тех пор я осознал, что не обязательно понимать все последствия своей работы, чтобы ее опубликовать. Действительно, у меня есть несколько собственных важнейших работ, которые я фактически полностью осознал лишь гораздо позже.

В любом случае, хотя Стивен Хокинг и его коллега Джим Хартл предложили совсем другую схему, пытаясь определить «граничные условия» для вселенных, которые могут возникнуть вообще ни с чего, важные факты таковы:

1. В квантовой гравитации вселенные могут (и действительно всегда будут) спонтанно возникать из ничего. Такие вселенные не обязательно должны быть пустыми, но в них может быть материя и излучение, при условии, что полная энергия, включая отрицательную энергию, связанную с гравитацией, равна нулю.

2. Чтобы закрытые вселенные, которые могут быть созданы с помощью таких механизмов, сохранялись дольше, чем бесконечно малое время, необходимо что-то вроде инфляции. В результате единственная долгоживущая вселенная, в которой можно было бы рассчитывать жить при реализации такого сценария — это вселенная, которая сегодня кажется плоской, как раз такая, в которой живем мы.

Урок ясен: квантовая гравитация, похоже, не только позволяет вселенным создаваться из ничего, что означает, в данном случае, я подчеркиваю, отсутствие пространства и времени, она может делать это обязательным. «Ничто» (в данном случае отсутствие пространства, времени, вообще всего!) нестабильно.

Кроме того, общие характеристики такой вселенной, если она сохраняется долгое время, как ожидается, будут такими, как мы сегодня наблюдаем в нашей Вселенной.

Доказывает ли это, что наша Вселенная возникла из ничего? Конечно, нет. Но это приближает нас на довольно большой шаг к вероятности такого сценария. И это устраняет еще одно из возражений, которые могли выдвигаться против аргумента создания из ничего, как описано в предыдущей главе.

Там «ничто» означало пустое, но существовавшее ранее пространство в сочетании с постоянными и известными законами физики. Теперь необходимость пространства была устранена.

Но замечательно то, что, как мы обсудим далее, даже законы физики могут быть не обязательными или ненужными.

<<< Назад Глава 9: Ничто — это нечто

Вперед >>> Глава 11: Дивные новые миры