Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе

Что такое Ничто

«Ничто» – понятие, вокруг которого ломают копья и физики, и философы. Возьмём участок пространства, освобождённый от любых видов вещества и излучения. Это «ничто» в его простой разновидности. Но «ничто» может быть и другого вида – когда отброшены и сами пространство и время. Представить это гораздо труднее.

Поэтому для начала подумаем просто о пустом участке пространства и времени вокруг нас.

Представьте, что вы вышли в открытый космос в скафандре и смотрите на окружающую вас Вселенную. В какой-то момент вам может показаться, что пустота пространства тоже вглядывается в вас. Всматриваясь в ничто, мы рискуем ощутить ни с чем не сравнимое чувство экзистенциального ужаса, избавление от которого приходит из самого неожиданного источника: из квантовой физики. Ведь даже само пустое пространство бурлит непрестанно возникающими и вновь уходящими в небытие частицами, которые называются квантовыми флюктуациями[9].

Казалось бы, «непрестанно возникающие и вновь уходящие в небытие частицы» – просто очередная причудливая идея, выдуманная учёными, чтобы сбить всех с толку. Но на деле присутствия таких частиц требует глубинная структура квантовой механики. А мы, хотя и не способны наблюдать их непосредственно, можем измерять их влияние на мир вокруг нас.

Как видно из самого их названия, квантовые флюктуации – нечто мимолётное и переменчивое. Но они всегда были и всегда будут. Единственное, что остаётся постоянным в вечной Вселенной, – никогда не прекращающееся движение квантовой энергии.[10] Но семена нашего понимания квантовых флюктуаций были посеяны лишь около ста лет назад.

Первые мысли о квантовой механике – и квантовых флюктуациях – появились на скалистом, безлиственном острове Гельголанд в Северном море. В 1925 году там, спасаясь от сенной лихорадки, донимавшей его в его родной Германии, физик-теоретик Вернер Гейзенберг заложил математические основы квантовой теории. До тех пор физики прилагали огромные усилия, чтобы объяснить последние результаты своих экспериментов над микроскопическими частицами: сталкивали друг с другом атомы и посылали пучки субатомных частиц через электрические и магнитные поля с помощью математики Ньютона и Максвелла, но никак не могли поставить прочно установившийся свод теорий и научных законов – то, что мы теперь называем классической физикой – на службу описанию проводимых наблюдений и экспериментов.

Все прекрасно знали – как мы знаем это и сегодня – что при умножении чисел не имеет значения, в каком порядке мы их умножаем. Единожды два умножить на три даст то же, что трижды два умножить на единицу. Но это простое и, казалось бы, очевидное математическое правило не действовало в новых экспериментах, проводимых в рамках квантовой механики.

Дерзкая мысль Гейзенберга состояла в том, чтобы использовать новые абстрактные математические объекты, которые можно было бы умножать, но так, чтобы ответ зависел от мест множителей: A, умноженное на B, могло не быть равным B, умноженному на A. Конечно, на первый взгляд это выглядит странно, но затем оказывается, что это правило отлично подтверждается при действиях с числовыми таблицами. Такие таблицы называются матрицами. Математический аппарат Гейзенберга стали называть матричной механикой[11], а теперь он известен как квантовая механика.

Но Гейзенбергу – как и любому другому физику того времени – было, конечно, невдомёк, какие необыкновенные последствия будет иметь это математическое новшество. В результате его введения у квантовой механики обнаружилось совершенно неожиданное свойство: принципиальная невозможность точно знать все параметры объекта. Сейчас мы называем это свойство принципом неопределённости. Оно оказалось великолепной иллюстрацией положения, снова и снова возникающего в квантовой физике: её математический аппарат приводит к выводам, которые мы в силу наших предвзятых представлений о Вселенной не готовы принять – настолько невероятными они кажутся. Например в данном случае Нильс Бор, один из отцов-основателей квантовой физики, заявил, что принцип неопределённости вынуждает нас отбросить саму идею объективного существования предметов.[12]

Когда физики говорят о «предметах» или «вещах», они обычно понимают под этим словом некоторый набор свойств. Мяч, например, обладает формой, цветом, положением в пространстве и времени. Но именно эти свойства квантовая физика в силу принципа неопределённости полагает неопределимыми в мире квантов. Мы попросту не можем утверждать, что мячу всё это присуще. Другими словами, невозможно провести эксперимент, который позволил бы с определённостью измерить свойства объекта при любом уровне точности измерения.

Пока речь идёт об абстрактном и неосязаемом мире квантовых частиц, это нас не особенно беспокоит. Однако, как только мы экстраполируем эти выводы на человеческие масштабы, ум тут же заходит за разум. Как выразился в сердцах Эйнштейн, «мне нравится думать, что Луна на своём месте, даже когда я на неё не смотрю». Но дело даже не в том, на месте Луна или нет, а в том, что само понятие места как единственного и точно определённого положения квантовой физикой отрицается.

В нашей повседневной жизни и в масштабах движений небесных тел неопределённость, вносимая соотношениями Гейзенберга, слишком мала, чтобы её можно было заметить. На измерение массы человека весом в 150 фунтов не влияют неопределённости порядка массы электрона. Но в микроскопическом мире частиц принцип неопределённости и его следствия доминируют, и если вследствие этого принципа энергию в пустом пространстве, в вакууме, невозможно ни определить, ни ограничить, она может принять любое значение. Невозможно определить – значит, нельзя и предсказать, и, следовательно, возможны её случайные флюктуации.

Согласно самому знаменитому уравнению в мире – эйнштейновскому E=mc2 – энергия и масса непосредственно связаны друг с другом. Флюктуации энергии проявляются как нескончаемые чередования создания и уничтожения частиц (то есть массы). Мы представляем это как спонтанное, самопроизвольное возникновение пар «частица-античастица». О последних мы подробнее поговорим немного позже, а пока запомним: они могут быстро сливаться и уничтожать друг друга, но то и дело взаимодействуют и с другими частицами. Именно тогда-то и возникает ситуация, когда даже обыватель сказал бы: «и вот откуда ни возьмись появляется новая частица…”

Физики часто называют квантовые флюктуации виртуальными частицами: их жизнь почти нереальна, они появляются на невообразимо краткое мгновение, прежде чем снова исчезнуть в вакууме. Но если за это время они всё же успевают взаимодействовать, цикл прерывается, и виртуальная частица может стать реальной. Здесь открываются интереснейшие возможности, из которых, возможно, самая интересная (особенно в свете вопроса, который мы сейчас рассматриваем) – это возможность спонтанного рождения из вакуума целой Вселенной частиц. А это для квантовой физики уже совсем рядом с рождением мира из ничего.

За время, которое требуется, чтобы произнести слово «ничто», в ранней Вселенной могло произойти очень многое. Начальная её эпоха, насколько мы это сейчас себе представляем, продолжалась всего около 10–43секунды. Чтобы представить себе это число, напишем сначала 0.00, потом ещё 40 нулей, потом 1. Вот так:

0.0000000000000000000000000000000000000000001 с.

Это непредставимо малый отрезок времени. С чем его сравнить? Как может человек вообразить такой временной масштаб? Досадно, но придётся признать: никак. Этот промежуток во много, очень много раз меньше, чем те, описать которые позволяют современные физические теории.

Но даже если мы и не можем описать во всех подробностях физические процессы, происходившие в тот первоначальный момент, наука всё же может кое-что подсказать. В конце концов, как бы ни выглядела «правильная» теория возникновения Вселенной, она так или иначе должна согласовываться с другими нынешними теориями – по крайней мере там, где они работают. Возьмём, например, карты плоской Земли. Когда люди убедились, что наша планета – шар, карты не потеряли ценности. Ведь чем меньше площадь рассматриваемого участка на земном шаре, тем ближе плоская карта к реальности – в каких-то пределах эти две идеи вполне совместимы. Так и эйнштейновская общая теория относительности в слабом поле тяготения переходит в ньютонову теорию гравитации, а квантовая механика превращается в ньютоновские законы движения, когда мы говорим о больших объектах.

Поэтому, чтобы не сбиться с пути, всегда можно сверяться с современными теориями. Проще говоря, когда из всех инструментов есть только молоток, всё вокруг становится похожим на гвозди. В нашем случае молоток – принцип неопределённости, а гвоздь – проблема творения.