Почему существует наш мир? Экзистенциальный детектив - Джим Холт

Имеет ли это какое-то отношение к космогенезу? Впервые такая мысль пришла в 1969 году к физику из Нью-Йорка по имени Эд Трайон. Витая в облаках во время лекции, которую читал знаменитый физик из университета Колумбии, Трайон вдруг выпалил: «Может быть, Вселенная – это квантовая флуктуация!»90 Говорят, что несколько присутствующих нобелевских лауреатов разразились насмешливым хохотом, но Трайон наткнулся на нечто ценное. Идея, что Вселенная, содержащая сотни миллиардов галактик в одном только маленьком регионе, доступном для нашего наблюдения, могла появиться из пустоты, выглядит невероятной. Как показал Эйнштейн, любая масса представляет собой замороженную энергию. Однако огромному количеству положительной энергии, запертой в звездах и галактиках, должна противостоять отрицательная энергия гравитационного притяжения между ними. В «закрытой» Вселенной (той, которая со временем снова сожмется) положительная и отрицательная энергии должны точно уравновешивать друг друга. Другими словами, общая энергия такой Вселенной равна нулю.

Возможность создания целой Вселенной из нулевой энергии поражает воображение. Во всяком случае, Эйнштейн был поражен, когда его коллега-физик Георгий Гамов рассказал ему об этой идее во время прогулки по Принстону. По воспоминаниям Гамова, «ошеломленный Эйнштейн встал как вкопанный, а поскольку мы как раз переходили дорогу, то несколько машин были вынуждены остановиться, чтобы нас не переехать»91.

С точки зрения квантовой механики Вселенная с нулевой энергией представляет собой интересную возможность, за которую и ухватился Трайон. Допустим, что полная энергия Вселенной точно равна нулю. Тогда, благодаря взаимосвязи в неопределенности между энергией и временем (как диктует принцип Гейзенберга), неопределенность во времени становится бесконечной. Другими словами, как только такая Вселенная возникнет из пустоты, то сможет существовать вечно, подобно займу бытия, который никогда не будет выплачен. Что же касается причины, по которой Вселенная возникла, то это просто квантовая вероятность. «В ответ на вопрос о том, почему это случилось, – написал Трайон позднее, – я могу выдвинуть скромное предположение, что наша Вселенная – это просто одно из тех явлений, которые случаются время от времени»92.

Является ли это примером сотворения из пустоты? Не совсем. В сценарии происхождения мира по Трайону энергия и материя действительно равны нулю и в этом смысле похожи на «получение Нечто из Ничто». Однако то состояние, из которого спонтанно возникла Вселенная, называется «квантовый вакуум», и оно совсем не похоже на философскую концепцию Ничто. Во-первых, это что-то вроде пустого пространства, а пространство – это не Ничто. К тому же оно на самом деле не пустое. Квантовый вакуум – это сложная математическая структура, которая изгибается и растягивается, как резина; она наполнена энергией полей, и в ней кипит активность виртуальных частиц. Квантовый вакуум – это физический объект, настоящий маленький протокосмос сам по себе.

Почему вообще существует такое явление, как квантовый вакуум? Как заметил физик Алан Гут: «Предположение, что Вселенная появилась из пустого пространства, выглядит не более фундаментальным, чем предположение, что Вселенная родилась из куска резины. Оно может быть верным, но все равно возникает вопрос о том, откуда взялся кусок резины»93.

Видимо, ближе всех к решению «резиновой проблемы» подошел Александр Виленкин. Он родился на Украине, где после получения диплома физика работал ночным сторожем в зоопарке. В 1976 году Виленкин переехал в США и меньше чем за год получил степень доктора философии по физико-математическим наукам. Теперь он преподает в университете Тафтса возле Бостона, где также занимает должность директора Института космологии Тафтса. Виленкин известен тем, что на семинарах носит темные очки в стиле Анны Винтур, предположительно, из-за чувствительности глаз к свету.

Когда Виленкин говорит о возникновении Вселенной из «Ничто», он именно это и имеет в виду, как я узнал из разговора с ним несколько лет назад. «Ничто есть Ничто! – настаивал он с некоторой горячностью. – Это не просто отсутствие материи, это отсутствие пространства, отсутствие времени – полное отсутствие всего».

Но как может физик хотя бы определить состояние полной пустоты? И вот здесь Виленкин проявил изобретательность. Представьте себе пространство-время как поверхность сферы (такое пространство-время называется «замкнутым», потому что оно искривлено само в себя; оно ограниченно, хотя не имеет границ). Теперь предположим, что эта сфера сжимается, как воздушный шарик, из которого выпускают воздух. Радиус становится все меньше и меньше и со временем (попытайтесь это вообразить) превращается в ноль. Поверхность сферы полностью исчезает, а с ней и само пространство-время. Мы дошли до полной пустоты – и одновременно до точного определения пустоты: это замкнутое пространство с нулевым радиусом. Это и есть самая полная и совершенная пустота, которую можно описать научно. Она не только лишена какого-либо содержимого, в ней также нет ни координат, ни продолжительности.

С таким определением Виленкин сумел произвести интересные вычисления. Используя принципы квантовой механики, он показал, что из такого начального состояния пустоты может спонтанно появиться крохотный кусочек наполненного энергией вакуума. Насколько крохотный? Возможно, размером всего лишь в одну стотриллионную сантиментра. Однако оказывается, что этого вполне достаточно для космогонических целей. Под действием отрицательного давления «инфляции» этот кусочек энергетического вакуума испытает безудержное расширение. Через пару микросекунд он достигнет космических размеров, испустив поток света и материи – Большой взрыв!

Таким образом, по мнению Виленкина, переход от Пустоты к Бытию происходит в два этапа: на первом крохотный кусочек вакуума появляется из абсолютного Ничто; на втором он раздувается в наполненную материей предшественницу той Вселенной, которую мы сейчас видим вокруг. С точки зрения науки эта схема безупречна. На данный момент принципы квантовой механики, управляющие первым этапом, являются самыми надежными принципами в науке. Что касается теории инфляции, которая описывает второй этап, то с момента своего создания в начале 80-х годов она была успешно подтверждена не только теоретически, но и эмпирически – в частности, распределением реликтового излучения, оставшегося после Большого взрыва, по данным наблюдений спутника СОВЕ.

Итак, вычисления Виленкина выглядят верными. Однако, разговаривая с ним, я вынужден был признаться, что мое воображение отказывается представить сотворение из ничего. Пузырек ложного вакуума, из которого родился космос, должен ведь был откуда-то взяться. Тогда Виленкин довольно ехидно предложил мне представить пузырек газа в шампанском – а потом убрать шампанское.

Даже вообразив себе эту картинку (не слишком-то убедительную), я остался в замешательстве. Пузырек в шампанском формируется с течением времени, а пузырь Виленкина, возникающий из пустоты, представляет собой пузырь пространства-времени. Поскольку само время (вместе с пространством) создается в процессе перехода из Ничто в Нечто, то и сам переход не может происходить во времени. Похоже, что переход разворачивается не во времени, а в логике. Если Виленкин прав, то у Ничто никогда не было ни единого шанса: законы физики требуют, чтобы, с некоторой ненулевой вероятностью, существовала Вселенная. Но на каком онтологическом основании стоят эти законы? Если они логически предшествуют миру, то где именно они были написаны?

«Если угодно, можете сказать, что они в уме Бога», – отвечает Виленкин. После разговора с ним я подумал, что, может быть, это лучшее, на что способна наука. Она может показать, что законы, объясняющие, как устроен мир, также объясняют, почему мир вообще должен быть – а значит, почему существует Нечто, а не Ничто. Законы классической физики, включая общую теорию относительности Эйнштейна, на это не способны. Они могут описать эволюцию Вселенной, но не могут объяснить, как она появилась, – в точке ее возникновения они перестают работать. Квантовая космология – это шаг вперед. Она может рассматривать возникновение мира как одно из квантовых событий, которому, к счастью, не требуется первопричина. Квантовая теория может показать, что с онтологической точки зрения Вселенная в самом деле может быть «бесплатным обедом».

Тем не менее квантовая космология не может быть последним словом в науке. Проблема состоит в том, что до сих пор никто не смог объяснить, каким образом можно связать гравитацию с квантовыми явлениями. В конце концов, именно гравитация определяет общую структуру Вселенной. На уровне Вселенной в целом общая теория относительности Эйнштейна успешно объясняет, как работает гравитация. Однако когда вся масса Вселенной упакована в объем размером с атом – как это было сразу после Большого взрыва, – квантовая неопределенность вызывает нарушение гладкой геометрии общей теории относительности, и невозможно предсказать, как поведет себя гравитация. Чтобы понять зарождение космоса, нам нужна квантовая теория гравитации, которая «объединит» общую теорию относительности и квантовую механику. Сам Стивен Хокинг с этим согласен: «…Квантовая теория гравитации является неотъемлемой частью общей теории, если мы хотим описать раннюю Вселенную», – провозгласил Хокинг в 1980 году во время своей инаугурационной лекции при вступлении на кафедру Лукасовского профессора математики в Кембриджском университете. «Такая теория также нужна, если мы хотим ответить на вопрос: действительно ли время имеет начало…»94 Сегодня, по прошествии более чем тридцати лет, физики все еще ищут такую теорию, которая бы аккуратно связала все силы природы, включая гравитацию, в единое математическое целое. Пока неясно, какую форму будет иметь эта теория. На данный момент физики возлагают надежды на теорию струн, которая пытается представить всю физическую реальность как состоящую из крохотных энергетических струн, вибрирующих в многомерном пространстве. Несогласные с этой общепринятой теорией ищут другие подходы. Некоторые физики считают, что сама идея объединения взаимодействий – это иллюзия.