Шон Кэрролл - Вселенная

Как учил Галилей, одно из основополагающих свойств современной физики заключается в том, что предметы могут двигаться и обычно двигаются без всякой внешней причины или перводвигателя. Грубо говоря, то же справедливо и для Вселенной. Учёный не задал бы вопросы «Почему возникла Вселенная?» или «Чем поддерживается существование Вселенной?». Мы всего лишь хотим знать: «Согласуется ли существование Вселенной с нерушимыми законами природы или объяснение Вселенной нужно искать за пределами этих законов?».

Вопрос осложняется тем, что мы не знаем, каковы именно законы природы на самом деле. Рассмотрим проблему, неразрывно связанную с существованием Вселенной: существовала ли она вечно или возникла в определённый момент — предположительно после Большого взрыва?

Никто не знает. Будь на нашем месте Пьер-Симон Лаплас, веривший в классическую физику Ньютона и насмехавшийся над самой идеей того, что Бог когда-либо мог вмешиваться в устройство природы, то он ответил бы просто: Вселенная существует вечно. Пространство и время незыблемы и абсолютны, причём, в сущности, не важно, что происходит с материей, перемещающейся в пространстве. Время продолжается из бесконечного прошлого в бесконечное будущее. Разумеется, вы всегда вправе рассматривать и другие теории, но в неизмененной ньютоновской физике Вселенная не имеет начала.

Наступил 1915 год, Эйнштейн представил свою общую теорию относительности. Он объединил пространство и время в четырёхмерное пространство–время, а пространство–время не абсолютно — оно динамично, растягивается и сморщивается, реагируя на воздействие материи и энергии. Вскоре мы узнали, что Вселенная расширяется, что позволило предположить, что в прошлом существовала сингулярность и произошёл Большой взрыв. В классической общей теории относительности Большой взрыв — самый первый момент в истории Вселенной. С него началось время.

Затем, в 1920-е годы, мы открыли квантовую механику. «Состояние Вселенной» в квантовой механике — это не просто конкретная конфигурация пространства–времени и материи. Квантовое состояние — это суперпозиция многих различных «классических» возможностей. Поэтому правила игры полностью меняются. В классической общей теории относительности Большой взрыв — это начало пространства–времени; в квантовой общей теории относительности — какова бы она ни была, поскольку никто пока не представил полную формулировку такой теории, — мы не знаем, было у Вселенной начало или нет.

Есть два варианта: либо Вселенная вечна, либо у неё было начало. Дело в том, что квантовомеханическое уравнение Шрёдингера допускает два очень разных решения, соответствующих двум разным видам вселенных.

Согласно одной возможности, время фундаментально и Вселенная изменяется с течением времени. В таком случае уравнение Шрёдингера трактуется однозначно: время бесконечно. Если Вселенная действительно развивается, то она развивалась всегда и будет развиваться неограниченно долго. У неё нет начала и конца. Могут быть моменты, напоминающие наш Большой взрыв, но такие фазы должны быть временными, а после них Вселенной становится «больше», чем до такого события.

Другая возможность заключается в том, что время, в сущности, не фундаментально, а эмерджентно. В таком случае у Вселенной могло быть начало. У уравнения Шрёдингера есть такие решения, которые вообще не предполагают развития вселенных; вселенные просто существуют в неизменном виде.

Может показаться, что всё это лишь математические изыски, не имеющие никакого отношения к реальному миру. В конце концов, кажется совершенно очевидным, что время течёт, проходит мимо нас. В мире классической физики вы были бы правы. Время либо течёт, либо нет; поскольку в нашем мире время идёт, возможность существования безвременной Вселенной не слишком существенна с физической точки зрения.

В квантовой механике всё иначе. Она описывает Вселенную как суперпозицию различных физических возможностей. Мы словно допускаем различные варианты бытия «классического» мира и укладываем их в стопку, получая таким образом квантовый мир. Предположим, мы выбрали очень специфический ряд вариантов бытия мира: конфигурации обычной физической Вселенной, но соответствующие разным моментам времени. Вся Вселенная в 12:00, вся Вселенная в 12:01, вся Вселенная в 12:02 и т. д. — только мы взяли моменты не с минутным интервалом, а отстоящие друг от друга гораздо ближе. Наложим эти конфигурации друг на друга и составим из них квантовую Вселенную.

Это Вселенная, не развивающаяся со временем, — квантовое состояние само по себе просто есть , оно неизменно и вечно. Но любой фрагмент этого состояния выглядит как один момент времени в развивающейся Вселенной. Каждый элемент квантовой суперпозиции выглядит как классическая Вселенная, которая откуда-то взялась и куда-то движется. Если бы в такой Вселенной существовали люди, то в каждый момент этой суперпозиции им всем бы казалось, что время течёт, — точно так же, как кажется и нам. Именно в таком смысле время в квантовой механике может быть эмерджентно. Квантовая механика позволяет рассматривать вселенные, которые фундаментально безвременны, но при определённом огрублении в них возникает эмерджентное время.

Если бы так и было, то проблема «первого» момента во времени вообще бы исчезла. Вся идея «времени» так или иначе оказывается просто аппроксимацией.

Не я это придумал — именно о таком сценарии ещё в начале 1980-х размышляли физики Стивен Хокинг и Джеймс Хартл, которые одними из первых стали разрабатывать тему «квантовой космологии». Они продемонстрировали, как построить квантовое состояние Вселенной, где время не является фундаментальным, а Большой взрыв — начало известного нам времени. Затем Хокинг написал книгу «Краткая история времени» и стал самым знаменитым учёным современности.

* * *

Идея о том, что у Вселенной есть начало — независимо от того, фундаментально или эмерджентно время, — наводит некоторых людей на мысль, что какая-то сила должна была породить Вселенную, и обычно эта сила отождествляется с Богом. Такая догадка оформилась в виде космологического аргумента бытия Бога. Истоки этой идеи прослеживаются вплоть до Платона и Аристотеля. В последние годы её отстаивал теолог Уильям Лэйн Крейг, выразивший эту идею в виде силлогизма.

1. Всё, что возникает, имеет причину.

2. Вселенная возникла.

3. Следовательно, у Вселенной была причина.

Как мы уже убедились, вторая посылка этого аргумента может быть как верной, так и ложной; мы просто пока этого не знаем — современные научные представления не позволяют ответить на этот вопрос. Первая посылка ложна. Говорить о «причинах» неуместно, рассуждая о глубинном устройстве Вселенной. Нужно ставить вопрос не о том, возникла ли Вселенная по какой-либо причине, а о том, согласуется ли начало времени с определённого момента с законами природы.