Лоуренс Краусс - Вселенная из ничего

Для того чтобы учесть эту энергию покоя, мы должны перейти от ньютоновской гравитации к общей теории относительности, которая, по определению, включает эффекты специальной теории относительности (и E = mc 2) в теорию гравитации. И здесь все становится тоньше и запутаннее. На малых масштабах по сравнению с возможной кривизной Вселенной, и пока все объекты в этих масштабах движутся медленно по сравнению со скоростью света, общая релятивистская версия энергии возвращает нас к определению, известному нам от Ньютона. Однако, как только эти условия больше не соблюдаются, почти все эти законы отменяются.

Частично проблема заключается в том, что, оказывается, энергия, как мы обычно ее понимаем в других разделах физики — не особенно четко определенное понятие на больших масштабах в искривленной вселенной. Различные способы определения системы координат для описания различных характеристик, которые различные наблюдатели могут назначать точкам в пространстве и времени (называемые различными «координатными реперами») могут привести, на больших масштабах, к различным результатам расчета полной энергии системы. Для того чтобы учесть этот эффект, мы должны обобщить понятие энергии, и, более того, если мы хотим определить полную энергию, содержащуюся в любой вселенной, мы должны рассмотреть, как складываются энергии во вселенных, которые могут быть бесконечны в пространственном отношении.

Ведется много дебатов, как именно это сделать. Научная литература изобилует утверждениями и контрутверждениями по этому поводу.

Однако одно можно сказать наверняка: существует одна вселенная, в которой полная энергия безусловно и точно равна нулю. Однако это не плоский мир, который в принципе бесконечен в пространственном отношении, и, следовательно, вычисление полной энергии становится проблематичным. Это замкнутая вселенная, в которой плотность материи и энергии достаточна, чтобы привести к тому, что пространство замыкается само на себя. Как я уже описал, в замкнутой вселенной, если вы посмотрите достаточно далеко в одном направлении, то в конечном итоге увидите свой затылок!

Причина, по которой энергия замкнутой вселенной равна нулю, на самом деле относительно проста. Проще всего рассмотреть результат по аналогии с тем, что в замкнутой вселенной полный электрический заряд также должен быть равен нулю.

Со времен Майкла Фарадея мы представляем себе электрический заряд как источник электрического поля (обусловленного, говоря современным квантовым языком, излучением виртуальных фотонов, как я описал выше). Графически мы представляем «силовые линии» исходящими радиально от заряда, при этом число силовых линий пропорционально заряду, а направление силовых линий ориентировано наружу для положительных зарядов и внутрь для отрицательных, как показано ниже.

Мы представляем эти силовые линии уходящими в бесконечность, и по мере распространения расходящимися все дальше друг от друга. Это означает, что напряженность электрического поля становится слабее и слабее. Тем не менее, в замкнутой Вселенной силовые линии, связанные, например, с положительным зарядом, могут начать распространяться, но, в конце концов, так же как и линии долготы на карте Земли, собираются вместе на Северном и Южном полюсах, силовые линии от положительного заряда соберутся снова на противоположной стороне Вселенной. По мере того как они сходятся, поле будет становиться все сильнее и сильнее, пока не будет достаточно энергии для создания отрицательного заряда, который может «съесть» силовые линии в этой антиподной точке Вселенной.

Оказывается, очень похожий аргумент, в данном случае связанный не с «потоком» силовых линий, а с «потоком» энергии в замкнутой Вселенной, говорит нам, что общая положительная энергия, в том числе связанная с массой покоя частицы, должна точно компенсироваться отрицательной гравитационной энергией, так что полная энергия в точности равна нулю.

Поэтому если полная энергия замкнутой Вселенной равна нулю, и если математика суммы по всем путям квантовой гравитации уместна, то в квантовомеханическом смысле такие вселенные могли появиться спонтанно и безнаказанно, не неся чистой энергии. Я хочу подчеркнуть, что в этих вселенных будет полностью независимые пространства-времена, не связанные с нашим собственным.

Однако есть одна загвоздка. Закрытая, расширяющаяся вселенная, заполненная материей, как правило, расширяется до максимального размера, а затем столь же быстро реколлапсирует, оказавшись в пространственно-временной сингулярности, где нейтральная зона квантовой гравитации в настоящее время не может сказать нам, какова будет ее окончательная судьба. Характерное время жизни крошечных закрытых вселенных поэтому будет микроскопическим, возможно, порядка «планковского времени», сравнимым с масштабом, на котором должны работать квантовые гравитационные процессы, примерно 10 -44секунд.

Однако существует ли выход из этой дилеммы. Если, прежде чем такая вселенная сможет коллапсировать, конфигурация полей в ней вызовет период инфляции, то даже изначально крошечная замкнутая вселенная может быстро, экспоненциально расшириться, становясь в этот период все ближе и ближе к бесконечно большой, плоской вселенной. После того, как такая инфляция удвоит вселенную приблизительно сто раз, вселенная будет так близка к плоской, что может легко сохраняться гораздо дольше, чем наша Вселенная уже существует без коллапсирования.

В действительности, существует другая возможность, та, которая всегда вызывает во мне небольшой приступ ностальгии (и зависти), потому что представляет для меня важный опыт в обучении. Когда я впервые проводил постдокторан-турное научное исследование в Гарварде, я играл с возможной квантовой механикой гравитационных полей, и узнал о результатах, полученных хорошим другом из аспирантуры, Яном Аффлеком. Канадец, бывший аспирантом в Гарварде, когда я был в Массачусетском технологическом институте, Аффлек вступил в Общество стипендиатов за несколько лет до меня и использовал математическую теорию Фейнмана, которую мы теперь применяем для описания элементарных частиц и полей, названную квантовой теорией поля, чтобы вычислить, как можно получить частицы и античастицы в сильном магнитном поле.

Я понял, что форма решения, описанная Яном и названная «инстантоном», очень сильно напоминает инфляцию Вселенной, если применить ее формулы к гравитации. Но это было похоже на раздувание Вселенной, которая возникла из ничего! Прежде, чем описать этот результат, я хочу обратиться к своим собственным сомнениям относительно интерпретации того, какой физике такое математическое решение могло бы соответствовать. Однако вскоре я узнал, что, пока я размышлял, будущий очень изобретательный космолог, которого я упомянул ранее, Алекс Виленкин, который с тех пор стал моим другом, как раз только что написал статью, в которой точно описал способ, каким именно образом квантовая гравитация действительно может создать раздувающуюся Вселенную непосредственно из ничего. Меня опередили, но мне не стоит огорчаться, потому что (a) в тот момент я, откровенно говоря, не понимал в деталях, что я делаю, и (б) Алекс имел смелость предложить такое, что я в то время не предложил бы. С тех пор я осознал, что не обязательно понимать все последствия своей работы, чтобы ее опубликовать. Действительно, у меня есть несколько собственных важнейших работ, которые я фактически полностью осознал лишь гораздо позже.