Лоуренс Краусс - Всё из ничего [litres]

Но никто никогда не говорил, что Вселенная руководствуется тем же, что когда-то казалось разумным нам, близоруко глядящим на нее из нашего уголка пространства и времени. Конечно, априори кажется разумным вообразить, что вещество не может возникать спонтанно из пустого пространства, то есть что нечто не может возникнуть из ничего. Но когда мы принимаем в расчет динамику гравитации и квантовую механику, то обнаруживаем, что точка зрения здравого смысла уже не верна. В этом и состоит красота науки, и бояться этого не следует. Просто наука заставляет нас пересмотреть то, что кажется разумным и очевидным, чтобы привести свои взгляды в соответствие с устройством Вселенной, а не наоборот.

Подведу итог. Тот факт, что сегодня Вселенная плоская и что местная Ньютонова гравитационная энергия в ней в среднем равна нулю, – сильный довод в пользу того, что наша Вселенная возникла в результате процесса, подобного инфляции, процесса, посредством которого энергия пустого пространства (ничего) преобразуется в энергию чего-то, и в то время, за которое Вселенная становится все ближе и ближе к плоской на всех наблюдаемых масштабах.

Хотя инфляция показывает, как пустое пространство, наделенное энергией, вполне может создать все, что мы видим, вместе с неимоверно огромной и плоской Вселенной, было бы лицемерным заявлять, что пустое пространство, наделенное энергией, которая движет инфляцией, – это ничто. Такая картина заставляет допустить, что пространство существует и способно запасать энергию, а затем, опираясь на законы физики, например на ОТО, рассчитать, что из этого следует. Так что, если бы мы на этом и остановились, читатель имел бы полное право заявить, что современная наука еще очень далека от подлинного ответа на вопрос, как получить нечто из ничего. Однако это лишь первый шаг. Мы будем все лучше понимать происходящее и на следующем этапе увидим, что инфляция лишь верхушка вселенского айсберга из ничего.

Существование энергии в пустом пространстве – открытие, которое сотрясло нашу космологическую вселенную, и идея, которая легла в основу инфляции, лишь подтверждают некую особенность квантового мира, уже давно прекрасно известную по результатам лабораторных экспериментов, о которых я уже писал. Пустое пространство – штука очень сложная. Это бурлящее варево из виртуальных частиц, которые то возникают, то исчезают так быстро, что мы не можем непосредственно их зарегистрировать.

Виртуальные частицы – это проявление фундаментального свойства квантовых систем. В самой основе квантовой механики лежит правило, которым руководствуются некоторые политики и генеральные директора: пока никто не видит, можно делать все что угодно. Системы проходят все возможные состояния, пусть и за кратчайший миг, в том числе и состояния, которые были бы недопустимы, если бы систему измеряли. Эти «квантовые флуктуации» – самая суть квантового мира: из ничего постоянно получается нечто, пусть и на мгновение.

Однако здесь есть одна загвоздка. Согласно закону сохранения энергии, квантовые системы могут шалить лишь до поры до времени. Они как проигрывающие брокеры на бирже: если в результате флуктуации система впадает в состояние, которое требует порции энергии из пустого пространства, она обязана вернуть эту энергию, причем поскорее, пока никакие наблюдатели не успели это зарегистрировать.

Как следствие, вы можете думать, что это «нечто», порожденное квантовой флуктуацией, эфемерно, его нельзя зарегистрировать, в отличие, скажем, от нас с вами или Земли, на которой мы живем. Однако и это эфемерное создание подвержено влиянию обстоятельств, которые связаны с тем, что мы нечто наблюдаем и измеряем. Рассмотрим, например, электрическое поле, которое создает заряженный объект. Оно, несомненно, реально. Можно ощутить силу статического электричества волос или пронаблюдать, как воздушный шарик прилипает к стене. Однако квантовая теория электромагнетизма говорит, что статическое поле появляется, потому что заряженные частицы, задействованные в его выработке, испускают виртуальные фотоны, полная энергия которых, в сущности, равна нулю. Поскольку энергия этих виртуальных частиц равна нулю, они могут распространяться по Вселенной, не исчезая, и поле, вызванное суперпозицией множества таких частиц, настолько реально, что его можно ощутить.

Иногда условия таковы, что из пустого пространства безнаказанно возникают самые настоящие массивные частицы. Например, когда две заряженные пластины подносят друг к другу и электрическое поле между ними становится достаточно сильным, в нем складываются нужные энергетические условия для возникновения из вакуума реальной пары «частица – античастица», причем отрицательный заряд движется к положительно заряженной пластине, а положительный – к отрицательной. При этом возможно, что уменьшение энергии, вызванное уменьшением общего заряда на каждой пластине, а следовательно, и электрического поля между ними, окажется больше, чем энергия, связанная с энергией массы покоя, необходимой для рождения двух реальных частиц. Конечно, для создания таких условий сила поля должна быть очень велика.

На свете есть места, где подобное явление возможно благодаря сильным полям другого рода – не электрическим, а гравитационным. Эта мысль в 1974 г. сделала Стивена Хокинга известным среди физиков: он показал, что черные дыры, вырваться из которых невозможно, по крайней мере если исключить соображения квантовой механики, на самом деле способны испускать физические частицы.

Есть разные способы понять это явление, и один из них поразительно напоминает наш эксперимент с электрическими полями. Вне ядра черной дыры расположен радиус, называемый горизонтом событий. Ни один предмет, который находится внутри горизонта событий, согласно классическим представлениям, не может вырваться за его пределы, поскольку скорость, необходимая для этого, превосходит скорость света. Таким образом, выйти за горизонт событий не сумеет даже свет, излученный внутри этой области.

А теперь представьте себе пару из частицы и античастицы, которая возникает из пустого пространства у самого горизонта событий в результате местной квантовой флуктуации. Если одна из частиц находится внутри горизонта событий, то может так сложиться, что с падением в черную дыру она потеряет столько гравитационной энергии, что эта энергия вдвое превзойдет массу покоя каждой из частиц. Это значит, что частица-партнер может улететь в бесконечность и стать наблюдаемой безо всякого нарушения закона сохранения энергии. Общая положительная энергия, связанная с излученной частицей, с лихвой компенсируется потерей энергии у частицы-партнера, упавшей в черную дыру. Поэтому черные дыры могут излучать частицы.