Джим Холт - Почему существует наш мир? Экзистенциальный детектив

Предполагается, что вопрос «Почему существует Нечто, а не Ничто?» слишком велик, чтобы наука могла на него ответить. Ученые могут объяснить, как устроена физическая Вселенная, могут проследить причинные взаимодействия отдельных объектов и сил в ней. Они могут пролить свет на эволюцию Вселенной в целом, как она развивалась из одного состояния в другое. Однако когда дело доходит до первоисточника реальности, им нечего сказать. Это загадка, которую лучше предоставить метафизике, или теологии, или поэтическому восхищению, или молчанию.

Пока считалось, что Вселенная вечна, ее существование не слишком мучило ученых. Эйнштейн в своих гипотезах просто принял, что Вселенная вечна, и подправил уравнения теории относительности соответствующим образом. Однако с открытием Большого взрыва все изменилось. Мы явно живем в расширяющихся, охлаждающихся остатках гигантского космического взрыва, который произошел около 14 миллиардов лет назад. Что могло вызвать этот первозданный взрыв? И что ему предшествовало – и предшествовало ли ему что-нибудь вообще? Эти вопросы определенно входят в компетенцию науки, но любая попытка науки на них ответить натыкается на кажущееся непреодолимым препятствие, известное как «сингулярность».

Допустим, мы возьмем законы общей теории относительности, управляющие эволюцией космоса на макроуровне, и экстраполируем их назад в прошлое, к началу Вселенной. Рассматривая развитие нашей расширяющейся и охлаждающейся Вселенной в обратном порядке, мы увидим, как ее содержимое сжимается и нагревается. В момент времени t=0 (в момент Большого взрыва) температура, плотность и кривизна Вселенной стремятся к бесконечности – на этом месте уравнения общей теории относительности дают сбой и теряют смысл. Мы достигли сингулярности, края или границы самого пространства-времени, точки, в которой сходятся нити причинности. Если у этого события была причина, то она должна выходить за пределы пространства-времени, то есть быть вне досягаемости для науки.

Концептуальный сбой на Большом взрыве настолько беспокоил космологов, что они стали искать сценарии, позволяющие избежать первоначальной сингулярности. Однако в 1970 году физики Стивен Хокинг и Роджер Пенроуз показали, что эти попытки не могут увенчаться успехом. Хокинг и Пенроуз начали со вполне логичного предположения о том, что гравитация всегда притягивает, и приняли плотность материи во Вселенной примерно равной измеренной. На основе этих двух допущений они с математической точностью доказали, что в начале Вселенной должна лежать сингулярность.

Означает ли это, что первоисточник Вселенной навсегда покрыт тайной? Необязательно. Это просто означает, что Большой взрыв не может быть полностью понят «классической» космологией, то есть космологией, основанной только на общей теории относительности Эйнштейна, – потребуются и другие теории.

Какие именно, можно понять, если учесть, что через долю секунды после своего рождения вся наблюдаемая Вселенная была не больше атома. В таких масштабах классическая физика неприменима: в микромире правят законы квантовой теории. Поэтому космологи (самая заметная фигура среди них – это Стивен Хокинг) стали задаваться вопросом: «А что, если квантовую теорию, которая раньше использовалась только для описания субатомных явлений, применить ко всей Вселенной в целом?» Так родилась квантовая космология, названная физиком Джоном Гриббином «наиболее значительным шагом вперед в науке со времен Исаака Ньютона» 89.

Квантовая космология предлагает способ обойти проблему сингулярности. Классические космологи полагали, что сингулярность, притаившаяся за Большим взрывом, – это что-то вроде точки с нулевым объемом. Однако квантовая теория запрещает столь точно определенное состояние, утверждая, что на самом фундаментальном уровне природа обладает неизбежной размытостью, поэтому невозможно указать точный момент возникновения Вселенной, t=0.

То, что квантовая теория разрешает, еще более интересно, чем то, что она запрещает. А разрешает она спонтанное возникновение частиц из вакуума. Такой способ создания Нечто из Ничто дал квантовым космологам увлекательную идею: что, если сама Вселенная, по законам квантовой механики, возникла из ничего? Тогда причина того, что существует Нечто, а не Ничто, состоит в неустойчивости пустоты, как они это называют.

Утверждение физиков «пустота неустойчива» иногда осмеивается философами как неверное словоупотребление. «Пустота» не является названием объекта, говорят они, поэтому не имеет смысла приписывать ей какие-то качества, например неустойчивость. Однако о пустоте можно думать не только как об объекте, но и как об описании состояния. Для физика «пустота» описывает такое состояние, когда нет частиц и все математические поля равны нулю. Возможно ли такое состояние в действительности? То есть согласуется ли оно логически с физическими принципами? Одним из наиболее глубоких принципов, лежащих в самой основе нашего квантового понимания природы, является принцип неопределенности Гейзенберга, утверждающий, что определенные пары свойств (так называемые «канонически сопряженные переменные») связаны друг с другом таким образом, что не могут быть точно измерены вместе. Одна такая пара переменных – координаты и импульс частицы: чем точнее вы установили положение частицы, тем менее точно вам известно значение ее импульса, и наоборот. Другой парой сопряженных переменных являются время и энергия: чем точнее вам известен промежуток времени, в течение которого произошло какое-то событие, тем меньше вы знаете о энергии, связанной с этим событием, и наоборот.

Квантовая неопределенность также запрещает точное определение значений поля и скорости изменения этого значения. (Это аналогично утверждению, что вы не можете знать точную цену акции и скорость изменения этой цены одновременно.) И если подумать, то это в общем-то исключает пустоту. По определению, пустота – это состояние, в котором все значения полей постоянно равны нулю, однако принцип неопределенности Гейзенберга говорит, что если мы точно знаем значение поля, то скорость его изменения совершенно случайна, то есть не может быть равна нулю. Таким образом, математическое описание неизменной пустоты несовместимо с квантовой механикой – точнее, пустота неустойчива.

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!» 90Говорят, 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.