Иллюзия «Вселенной из ничего»

 

В 1928 году Поль Дирак повенчал квантовую механику с частной теорией относительности Эйнштейна, создав нечто, названное релятивистской квантовой теорией поля. Уравнение Дирака привело его к заключению о существовании антиматерии, которая действительно спустя несколько лет была обнаружена экспериментально. Идея об антиматерии позволяет показать, как частицы могут создаваться парами из чистой энергии. Экспериментально доказано, что пустое пространство пронизано энергией, которая непрерывно превращается в «виртуальные пары частиц». Пустого пространства в чистом виде не существует, ибо оно в любом месте занято полями различных видов; пространство изобилует парами электронов и антиэлектронов (называемых позитронами). Эти пары то появляются, то исчезают, когда энергия превращается в пары частиц, а затем эти пары аннигилируют с образованием гамма-лучей – формы чистой энергии.

Предсказание Дираком антиматерии и ее экспериментальное обнаружение стали монументальным достижением физики. Существование антиматерии выявляется в контексте знаменитой формулы Эйнштейна E = mc 2, которая уравнивает понятия массы и энергии. Теория антиматерии Дирака создает реальный механизм «творения».

Каким образом? Эйнштейн учил, что масса является энергией, а энергия – массой. Согласно теории относительности, энергия и масса едины и тождественны друг другу. Однако до Дирака мы не знали, как превратить одну сущность в другую – массу в энергию, а энергию в массу. Если, как говорит Эйнштейн, энергия и масса – одно и то же, то они должны быть взаимозаменяемы. Знаменитое уравнение Дирака, включающее в себя условия частной теории относительности Эйнштейна, дает нам реальный механизм, с помощью которого масса становится энергией, а энергия – массой. Такой механизм называют рождением пар. Этот термин означает, что из данного количества энергии природа может творить пары соответствующих друг другу частиц.

Природа обладает изумительной симметрией, заложенной в саму систему ее строения, и пары частиц, рождающиеся согласно механизму Дирака из небольших количеств энергии, представляют собой пары превосходно дополняющих друг друга элементов. Они во всех отношениях являются зеркальными отражениями друг друга: одна частица состоит из материи, а другая – из антиматерии. Так как фотон (квант энергии), из которого создается пара, не имеет электрического заряда, одна из созданных частиц несет положительный, а другая – отрицательный заряд. Эти частицы символизируют инь и ян: одна дополняет другую, а их общий заряд при суммировании становится равным нулю – заряду фотона, из которого они возникли.

Итак, если в вашем распоряжении есть какая-то энергия, то вы, используя правила квантовой механики и уравнение Дирака, сможете реально создавать пары частиц и античастиц, а значит, сможете создать (при достаточном количестве частиц) и Вселенную – по видимости, из ничего. Конечно, это не есть подлинное «ничто» – для создания Вселенной вам потребуется (согласно механизму Дирака) энергия. Допускают, что энергия возникает вследствие некой «квантовой флуктуации», то есть продуцируется вследствие квантовых колебаний в чем-то. Понятно, что в абсолютной пустоте никаких колебаний быть не может.

Лоуренс Краусс некорректно использует идею «пустого пространства» для того, чтобы утверждать, будто сама Вселенная возникла из чистой «пустоты». Но мы теперь знаем, что пространство, в котором могут рождаться частицы, никогда не было и не является «ничем» – оно всегда содержит энергию, пронизано силовыми линиями, представляющими поля (электромагнитное, гравитационное и т. д.). Именно энергия, производимая этими полями, приводит к сотворению пар частиц. Таким образом, эти частицы никогда не рождаются из ничего – они возникают из предсуществующего пространства, наполненного энергией. Эта энергия и поля, пронизывающие мировое пространство, должны были откуда-то взяться. Но с самой теорией есть множество других проблем. Во-первых, что происходит с антиматерией? Куда она исчезает? Почему она не аннигилирует материю и не производит снова энергию? Квантовые флуктуации, порождающие энергию, производящую пары частиц, должны происходить в какой-то среде, в чем-то. Что представляет собой это нечто, в котором происходят флуктуации? Оно, по необходимости, должно было предсуществовать.

В книге «Вселенная из ничего» Лоуренс Краусс утверждает, что Вселенная возникла из чистой пустоты, то есть из пространства, в котором не было ничего предсуществующего. В доказательство он ссылается на написанную физиком Александром Виленкиным статью (при этом Краусс ошибся даже при ссылке) «Квантовое происхождение Вселенной». В статье обсуждается теоретическая физика, включая Общую теорию относительности и квантовую механику, и предпринимается попытка проследить пути происхождения нашей Вселенной.

В заключение статьи Виленкин пишет следующее:

 

Большинство проблем, обсуждаемых в этой статье, относится к «метафизической космологии», к той ветви космологии, которая не может опираться на непосредственные наблюдения. Это не означает, однако, что такие проблемы не поддаются рациональному анализу: идеи можно проверять по тому, насколько они вписываются в общую картину Вселенной.

 

Картина Вселенной, используемая Виленкиным, состоит из того, что мы о ней знаем на основании теории и наблюдений. Исходным пунктом его космологической модели является, на самом деле, нечто «более раннее», то есть существовавший до возникновения Вселенной фрагмент пространства-времени, который затем заполнился полями, потом частицами и после этого превратился в известную нам Вселенную. Пустое «ничто» Виленкина и в самом деле более пусто, чем все, о чем мы говорили до этого. Однако внимательный ученый (а Виленкин настоящий ученый) всегда проявляет в таких вещах известную осторожность, и Виленкин, употребляя термины «ничто» и «пустота», неизменно помещает их в кавычки.

Пустота Виленкина – это не некое протяженное пространство-время. Это единичная точка, не имеющая протяженности. Но тем не менее эта точка включена в предсуществующую среду: в квантовую пену, существовавшую до сотворения нашей Вселенной. (Квантовая пена – это сильно турбулентная, конденсированная среда, где пространство и время сильно искривлены и мощно проявляются квантовые эффекты и эффекты Общей теории относительности.) В этом смысле Вселенная не возникла из абсолютного и полного ничто, подобного математическому пустому множеству. «Пустота» модели Виленкина – это отсутствие классического пространства-времени. Он сам пишет: «Я буду обсуждать модель, согласно которой Вселенная возникла в результате квантового туннельного эффекта», согласно которому квантованные частицы (здесь под малой частицей Виленкин понимает не имеющую протяженности точку, из которой было суждено родиться Вселенной. – Прим. авт.) могут преодолевать потенциальные барьеры (рис. 10), что представляется невозможным по законам классической физики. Туннельный эффект становится возможным, потому что частица является одновременно волной, а следовательно, подчиняется волновой функции. Может случиться так, что длина волны волновой функции превосходит толщину барьера, например толщину тонкой металлической пластинки. Так как возведенная в квадрат волновая функция представляет собой меру вероятности, может получиться так, что «вероятностная» функция тоже окажется за барьером. Это означает, что частица обладает ненулевой вероятностью тоже оказаться за барьером. Так как в физике, в конце концов, происходит все, что может произойти (то есть любое событие, имеющее ненулевую вероятность), то и частица в какой-то момент преодолевает потенциальный барьер и оказывается по другую его сторону.

 

Рис. 10. Квантовая частица может в результате туннельного эффекта проникнуть сквозь плотный барьер, благодаря тому что некоторые участки волновой и вероятностной функции могут оказываться по ту его сторону

 

Приложив эту идею к точке, представляющей сжатую вселенную, Виленкин утверждает, что ее волновая функция позволяет ей выйти за пределы состояния «пустоты», что она в конце концов и делает. Дальше начинается история, так как происходит Большой взрыв!

Однако пустота Виленкина – это не абсолютная пустота. Для возникновения Вселенной, по Виленкину, требуется весьма многое: квантовая пена, гравитационное поле Эйнштейна, поле Хиггса, туннельный эффект и другие физические сущности и законы. Следовательно, утверждения Краусса о том, что из всего этого следует возникновение Вселенной из ничего, мягко говоря, некорректны.

Сам Виленкин отнюдь не разделяет доктрину Докинса, опровергающего существование Бога, и даже придерживается несколько иных взглядов. Во введении к своей статье Виленкин пишет: «Идея о том, что Вселенная была сотворена из ничего, по меньшей мере так же стара, как Ветхий Завет». После этого автор цитирует «Исповедь» Блаженного Августина: «Что делал Бог до того, как сотворил небо и землю? Если он почивал и ничего не делал, то почему он не продолжал ничего не делать и дальше, как целую вечность прежде?» Ответом, по мнению Виленкина, является туннельный эффект, проскок кванта из «пустоты». Пространство и время были сотворены в ходе Большого взрыва, который произошел в результате флуктуаций в квантовой пене.

 

КВАНТОВАЯ ПЕНА

+

КВАНТОВАЯ ФЛУКТУАЦИЯ

(РЕЗУЛЬТАТ ТУННЕЛЬНОГО ЭФФЕКТА)

↓

ВСЕЛЕННАЯ

 

После того как произошел туннельный эффект, в игру вступили, согласно такой модели, законы Общей теории относительности Эйнштейна. В результате мы имеем нашу Вселенную, которой управляет гравитация и остальные три природные силы.

Итак, мы видим, что Вселенная Виленкина, на самом деле, начинается вовсе не с пустоты, а с реального, существующего пузыря в предсуществующей квантовой пене (рис. 11). Вот что он пишет: «Модель описывает пузырь, который сокращается в момент (времени) t < 0, затем принимает минимальный объем R 0, а вслед за этим расширяется в какой-то момент t > 0. В известной нам истории пузыря часть, соответствующая t < 0, отсутствует; в какой-то начальный момент в результате туннельного эффекта происходит проскок пузыря, который мгновенно переходит из состояния R = 0 в состояние R = R 0, а затем происходит дальнейшее расширение…» То, что описывает здесь Виленкин, – это ситуация, когда в реальном «пузыре» предсуществующей квантовой пены внутренняя энергия (рассматриваемая как некое давление) каким-то образом оказывается меньше энергии вне пузыря. В результате происходит то же самое, что и с пузырем надутой жвачки, попадающим в область высокого давления. Квантовый пузырь под действием внешнего давления сжимается до тех пор, пока его радиус не становится равным нулю. Затем, в результате чудесного туннельного эффекта, пузырь вырывается в больший объем, внешнее давление падает, и пузырь в ходе Большого взрыва расширяется до Вселенной. Весь фокус здесь заключается в том, что сжатие до нулевого размера (до «ничто») происходит в период времени, определяемый как отрицательный (t < 0), скрытый от нашего наблюдения, так как мы можем «знать» только те вещи, которые появились после того, как возникло знакомое нам время, то есть после Большого взрыва, ознаменовавшего сотворение пространства и времени.

 

Рис. 11. Пузыри в плотной смеси пространства-времени называют квантовой пеной

 

Идея Виленкина возникла, как он сам пишет в своей статье, под влиянием более ранней концепции, предложенной физиком Эдвардом Трайоном. Физик из Массачусетского технологического института Алан Гут также считает Трайона автором идеи возникновения «Вселенной из ничего». В статье «Является ли Вселенная результатом вакуумной флуктуации?», опубликованной в 1973 году, Трайон выдвигает идею о том, что наша Вселенная может иметь в сумме ноль для всех ее квантовых чисел – таких, например, величин, как электрический заряд, считающихся «сохраненными» в природе. То есть они не могут быть ни сотворены заново, ни уничтожены (вспомним, что при рождении пар из электрически нейтрального фотона одна частица заряжена положительно, а вторая несет равный по величине, но противоположный по знаку заряд – это и есть проявление закона сохранения).

Считают, что энергия – это самая важная составляющая часть природы, подчиняющаяся закону сохранения. Энергию нельзя создать или уничтожить, ее можно лишь перевести из одной формы в другую, например, согласно уравнению Эйнштейна, она может превратиться в массу. А масса – снова в энергию. Трайон (вероятно, впервые в истории науки) высказал идею о том, что суммарная энергия Вселенной равна нулю. Так как считается, что энергия подчиняется законам сохранения, ее невозможно «создать». Это означает, что энергия, которую мы наблюдаем в нашем мире, либо существовала всегда, либо ее в какой-то момент создал Бог. (Вероятно, Бог может нарушать все установленные человеком физические законы сохранения.) Однако если Трайон прав и суммарная энергия Вселенной тождественно равна нулю, то никакого акта творения вовсе и не требуется. Дело в том, что нуль всегда останется нулем. В данном случае нулевая энергия просто принимает форму двух энергий – положительной и отрицательной. В конце концов, по мнению Трайона, эти формы энергии превратились во Вселенную из материи, сосуществующую с Вселенной из антиматерии.

Правда, сегодня у нас еще нет ответа на вопрос о том, где находится вся та антиматерия, которая теоретически должна была возникнуть вместе с регулярной материей во время Большого взрыва. Физики в большинстве своем считают, что равновесие между материей и антиматерией не подчиняется законам сохранения. Теоретическая неравновесность материи и антиматерии называется нарушением CP-инвариантности, то есть нарушением зарядового сопряжения (charge conjugation) и зарядовой четности (parity). (Эти феномены можно уподобить зеркальному отражению, когда правое становится левым.)

До середины 1950-х годов физики считали, что четность является феноменом, подчиняющимся законам сохранения. Это означало, что если вы посмотрите на некую физическую систему, а затем поднесете к ней зеркало, то увидите в нем точно такую же физическую систему, но противоположной направленности: частица, исходно двигавшаяся вправо, будет двигаться влево. Это был очень привлекательный взгляд – почему отражение в зеркале должно менять основные законы физики? Но, на самом деле, оказалось, что зеркальное отражение меняет законы физики. Идея о нарушении закона сохранения четности пришла в голову двум американским физикам-теоретикам китайского происхождения Яну и Ли в 1950-е годы, во время посещения китайского ресторана в Нью-Йорке.

Вместе они пришли к выводу о том, что слабые силы, действующие внутри атомного ядра, не подчиняются закону сохранения четности. Ян и Ли предложили еще одной китаянке, известной среди американских физиков под дружелюбной кличкой «мадам Ву» (Сяньсюн Ву) и работавшей в Колумбийском университете, экспериментально проверить их теорию. Мадам Ву подтвердила странную теорию Яна и Ли: четность не подчиняется законам сохранения, во всяком случае, при слабых внутриядерных взаимодействиях. Позднее было обнаружено, что если мы объединим четность и зарядовое сопряжение, создав величину, называемую CP, то эта величина тоже не будет подчиняться законам сохранения. Таким образом, имеет место различие (возможно, очень небольшое) между материей и антиматерией как зеркальной субстанцией, в которой все электрические заряды меняются на противоположные.

Такое нарушение CP-инвариантности в том виде, в каком оно нам известно, может быть, не является достаточно сильным для того, чтобы вытеснить из нашей Вселенной всю антиматерию. Этот важнейший для теоретической физики и космологии вопрос до сих пор остается открытым. С другой стороны, может существовать целая Вселенная, состоящая из чистой антиматерии. Возможно, такая Вселенная расположена в пространстве симметрично нашей Вселенной, если материя и антиматерия действительно возникли в равных количествах во время взрыва чистой энергии, который теперь принято называть Большим взрывом.

Другой аргумент Трайона основывается на допущении о том, что Вселенная, будучи «закрытой», имела суммарную энергию, равную нулю. Однако в 1998 году астрономы сделали историческое открытие: оказалось, что Вселенная с ускорением расширяется, а микроволновое фоновое излучение, улавливаемое спутниковыми обсерваториями, говорит о том, что наша Вселенная не является «закрытой» или «свернутой». Более того, она очень близка к тому, чтобы стать по-настоящему «плоской». Это означает, что пространство имеет структуру евклидовой геометрии, то есть характеризуется прямыми линиями и лишено внутренней кривизны. Таким образом, аргументы Трайона выглядят совершенно несостоятельными в свете открытий, сделанных за десятилетия, прошедшие после опубликования его статьи.

Кроме того, факт присутствия во Вселенной огромного количества «темной энергии», природа которой остается пока совершенно неясной, делает беспредметным любой спор о «суммарной нулевой энергии» нашей Вселенной.

«Вселенная из ничего» в смысле Лоуренса Краусса – это вымысел, фикция, не имеющая никакого обоснования в объективной реальности. Эта гипотеза не вытекает из теоретических результатов Виленкина или Трайона, так как, по мнению этих авторов, Вселенная возникла не из абсолютного «ничто»: Виленкин требует наличия предсуществующей квантовой пены и «скрытой истории» («отрицательного времени»), а Трайон нуждается в закрытой Вселенной, хотя мы знаем, что наша Вселенная таковой не является. К тому же Трайон никак не объясняет исчезновение антиматерии, на существовании которой и зиждется его теория.

 

Тем не менее вполне возможно, что наша Вселенная возникла в результате происшедшей в квантовой пене флуктуации, предшествовавшей Большому взрыву. По модели Виленкина такая флуктуация требует наличия квантовой пены, в которой отсутствовали классическое пространство и время, причем такая квантовая флуктуация, породившая нашу Вселенную, могла происходить неоднократно – если считать, что все, что может произойти, обязательно в конце концов произойдет. Таким образом, по мнению некоторых космологов, существует некая мультивселенная, то есть множество вселенных. Пользуясь языком Блаженного Августина, можно сказать, что если Бог однажды перестал предаваться ничегонеделанью и создал Вселенную, то он мог поступать так снова и снова.

 

Глава 8