Сергей Минаков - Таинственные явления природы и Вселенной

Помните, как шарик «просачивался» сквозь энергетический холм? Аналогично тому, как шарик не может «перепрыгнуть» холм, вселенная с точки зрения классической космологии никак не может преодолеть барьер между «планковскими» размерами и макроскопическими классическими размерами, необходимыми для пуска инфляции. Но Алекс Виленкин показал, что вселенная может тунеллировать под этим барьером. Это удивительная и очень «философски выдержанная» идея, хотя речь идет о чистой физике.

Важно, что даже при начальных размерах, стремящихся к нулю, шансы на туннелирование не исчезают. Более того, вычисления значительно упрощаются, если позволить начальному радиусу вселенной обратиться в нуль. Она туннелирует из нулевого размера в состояние с конечным радиусом и начинающей инфляционно расширяться. Радиус новорожденной вселенной определяется плотностью энергии вакуума: чем выше плотность, тем меньше радиус. Для вакуума Великого объединения это одна стотриллионная сантиметра (10–14 см). Вследствие инфляции эта крошечная вселенная растет с ошеломительной скоростью и за малую долю секунды намного превосходит размер наблюдаемой сегодня области.

Конечно, далеко не всем вселенным так повезет. Будет очень много вселенных-неудачниц, живущих лишь неуловимое мгновение; порождение соотношения неопределенностей подобны виртуальным частицам в пустоте. Но некоторые вселенные сумеют стать большими.

Важно, что никакого исходного состояния вселенной не требуется! Никаких сущностей в начале не должно быть.

Итак, вселенная рождается из ничего?!

Тут проблема становится почти философской. Что, в самом деле, означает «ничто»? И если в результате появляется вполне реальное «нечто», то почему и зачем «ничто» тунеллирует?

Начальное состояние, предшествующее туннелированию, — это вселенная с нулевым радиусом, то есть попросту ее отсутствие. В этом очень странном состоянии нет материи, нет пространства. Нет также и времени.

Время ведь не может просто длиться! Время имеет смысл, только если «где-то» происходит «что-то». Как мы понимаем, что время течет? Мы используем регулярные, периодические процессы: собственные шаги, вращение Земли и т. д. Когда идут часы — это тоже периодический процесс: часы тикают, стрелка с определенной регулярностью проходит деления циферблата. Время — как точно выразился еще в XVIII веке Готфрид Вильгельм Лейбниц, — существует в порядке следования вещей. Но в том-то и дело: всякое движение имеет смысл, только если вещам есть где находиться, если вещи помещены и могут расположиться! Ну и, конечно, если есть сами вещи (хотя тут большой вопрос, поскольку что есть вещи, как не их протяженность, пространственное определение?). Словом, невозможно определить время в отсутствие пространства и материи. Нам очень трудно это представить и понять, поскольку все наши самые простые и естественные реакции и наша логика основываются на классических представлениях о пространстве и времени. Как пишет Алекс Виленкин, невозможно представить себя сидящим посреди «ничего» и ожидающим материализации вселенной, поскольку нет ни пространства, чтобы в нем сидеть, ни времени, чтобы ожидать. Здесь на помощь снова приходит квантовая теория, хотя картина, которая получается в результате, превосходит всякие фантазии.

«Ничто» можно ассоциировать с тем, что космологи называют «пространственно-временной пеной». В планковских масштабах становятся существенными не только квантовые флуктуации энергии вакуума, но и флуктуации самого пространства-времени. Пространство и время перестают быть непрерывной сплошной тканью. Сама геометрия пространства-времени спонтанно меняется каждые 10–43 с. Понятия вроде «место», «перемещение», «прошлое», «настоящее», «будущее» и многие другие, кажущиеся нам естественными, просто теряют смысл. Более того, можно сказать, что пространство и время не действительны, а виртуальны, как виртуальные частицы. Это значит, что никакого пространства и времени просто нет, они в точном смысле нереальны — «невещны», это чистое «ничто»; они есть просто проявление принципа неопределенностей, пена вероятностей того, что пространство-время обладает той или иной метрикой, топологией, количеством измерений и т. д.

И вместе с тем состояние «ничто» нельзя определить как абсолютное небытие. Туннелирование описывается законами квантовой механики. Объяснить это довольно сложно… Законы физики должны существовать, несмотря на отсутствие Вселенной. Однако сами законы квантовой механики таковы, что в планковских масштабах как бы сливаются с собственными проявлениями, с тем, что ими управляется — законы и реалии, которые им подчиняются, становятся неразличимыми. Соотношение неопределенностей — хороший пример. Это соотношение вероятностей. Но можно сказать, что только эти вероятности и существуют на этапе возникновения Вселенной как упомянутая пространственно-временная пена.

Если до возникновения Вселенной в описанном выше смысле ничего не было, тогда что же вызвало туннелирование? Как это ни удивительно, ответ состоит в том, что никакой причины для этого не нужно. Почему? Да потому, что вместе с другими понятиями теряет смысл и понятие причины, причинности. В классической физике причинность — краеугольный камень. Можно точно определить, что случится в каждый следующий момент времени, исходя из случившегося в прошлом. Однако в квантовой механике поведение физического объекта по сути непредсказуемо, и некоторые квантовые процессы совершенно беспричинны. Большинство наших представлений неразрывно связаны с пространством и временем, так что мысленную картину Вселенной, возникающей из ничего, создать действительно непросто.

Здесь уместно вспомнить одну коллизию из истории стихосложения. Английский поэт XVIII века Александр Поуп в благоговении написал следующие строки:

В XX веке на хвалебную оду Поупа другой англичанин, Джон Сквайр, тоже поэт, ответил эпиграммой:

Сингулярная точка с бесконечной кривизной в классической фридмановской модели превращается в квантово-вероятностное «ничто», из которого рождается Вселенная. Вы можете сказать: ну прогресс так прогресс! Было непонятно, теперь стало… совсем непонятно! Однако разница очень велика. Если в первом случае речь шла по существу о признании наукой собственного бессилия перед проблемой возникновения Вселенной, то во втором случае мы имеем последовательное физико-математическое описание с развернутой интерпретацией. Ну а что до понятности… Вспомним еще раз определение Нильса Бора — а именно он вместе с Вернером Гейзенбергом, собственно, и придумал квантовую теорию: идея в современной физике должна быть совершенно безумной, чтобы оказаться верной. И потом, было бы странно, если бы такие вещи, как рождение Вселенной и начало мира, выглядели простыми, легкими и понятными. Не правда ли?