Как появилась материя во вселенной
Спросите Итана №13: откуда взялась материя?
Увидев свою копию, состоящую из антиматерии, которая бежит к вам навстречу, хорошенько подумайте перед тем, как обнимать её.
— Дж. Ричард Готт III
Возможно, вы не задумывались над тем, что вся Земля и всё, что на ней есть, создано из материи. Это кажется интуитивным и по-другому быть не может. Однако законы природы пока не рассказали нам, почему Вселенная так устроена.
Правда ли, что на заре Вселенной материя и антиматерия были созданы в равных количествах? А если нет, известно ли, отчего возникло такое неравенство?
А если их количество было одинаково, почему антиматерии так мало? Есть ли механизм объяснения превалирования материи над антиматерией в видимой части Вселенной?
Задумайтесь над этим.
Вот – часть Вселенной. Сотни миллиардов звёзд и звёздных систем существуют только в нашей галактике. Сотни миллиардов галактик есть в обозримой части Вселенной. Из них всех мы изучили лишь нашу собственную звёздную систему, которая, что неудивительно, оказалось созданной из материи, а не антиматерии.
Но, судя по всему, вся остальная Вселенная также сделана из материи. Точнее сказать, материала во Вселенной полно, и если бы где-то была часть, сделанная из антиматерии, мы бы стали свидетелями грандиозной катастрофы, когда материя и антиматерия встретились бы.
На более крупных масштабах мы нанесли на карту галактики и их кластеры, посмотрели вокруг на разных длинах волн, включая видимый свет, инфракрасные волны, микроволны, радио, ультрафиолет, рентгеновские и гамма-лучи. Конкретно рентгеновские и гамма-лучи очень важны для наблюдений, потому что при аннигиляции материи и антиматерии они испускают характерное высокоэнергетическое излучение, которое мы можем засечь.
Изучив 55 галактических кластеров, на расстояниях от нескольких миллионов световых лет до трёх миллиардов, мы увидели, что и на космических масштабах 99.999%+ всей материи – это обычная материя, а не антиматерия.
И тем не менее, наша Вселенная перед нами.
Если бы мы начали с Большого взрыва, то в конце инфляции, со всеми нужными начальными условиями и известными законами физики, у нас получилось бы такое состояние:
Но, если энергия падает, высокоэнергетическим частицам становится сложнее производить новые пары материя/антиматерия (b), в результате чего уменьшается количество реакций превращения материи и антиматерии в излучение. Но при падении плотности, парам материя/антиматерия становится сложнее найти друг друга (а), в результате чего количество этих встреч не упадёт до нуля. Всегда найдутся остатки материи и антиматерии.
И тут начинаются странности. По всем вычислениям, исходя из известных законов физики и наших опытов, должно быть 10 20 частиц излучения на каждую частицу материи или антиматерии. Но в нашей вселенной их всего миллиард, 10 9 штук, на одну частицу материи. А антиматерии вообще очень мало.
Так откуда взялась лишняя материя? Почему появилась лишняя материя, но не антиматерия? И когда? И как?
Честно говоря, это – одна из самых больших неразрешённых загадок физики. Но если мы не знаем всего, это не значит, что у нас вообще нет каких-то ключей к разгадке. К примеру, с 1960-х годов известно, что удовлетворив трём следующим условиям:
можно создать больше материи, чем антиматерии (или наоборот). Более того, асимметрия в этом случае просто неизбежна. И, к счастью, двум из этих критериев легко удовлетворить.
«Отсутствие равновесия» происходит, когда некие события в одной части системы не влияют на другую часть, поскольку информация не успевает дойти до них. Расширяющаяся Вселенная – прекрасный пример системы, в которой по определению отсутствует равновесие, а приведённое описание возникновения и аннигиляции материи и антиматерии при расширении и охлаждении Вселенной – прекрасный пример неравновесного процесса.
Также есть много примеров различия между материей и антиматерией, и нарушения различных симметрий. Одна из них – симметрия зарядового сопряжения, или С-симметрия. Если вы замените все частицы на античастицы, и С-симметрия сохраняется, тогда система будет вести себя точно так же. Ещё одна – симметрия чётности, P-симметрия. Если она сохраняется, то реальная система и её зеркальное отражение должны вести себя одинаково.
Нестабильная частица вроде вращающегося мюона распадётся конкретным способом – испустив электрон в определённую сторону согласно спину. Если отразить это в зеркале (Р), то электрон будет испущен в противоположную сторону, чего в жизни не бывает. Если заменить мюон анти-мюоном (С), он испустит позитрон в изначальном направлении – а этого тоже не бывает. Но если заменить вращающийся мюон зеркальной копией вращающегося анти-мюона (С и Р, СР), можно было бы надеяться, что его распад должен происходить так же надёжно, как и распад мюона в реальном (не зеркальном) мире. Но этого не происходит. Есть и другие примеры нарушения С и СР симметрий, в системах к-мезонов или B-мезонов.
Поэтому, нам осталось только заполучить взаимодействия, не сохраняющие барионное число в достаточных количествах, иначе говоря, создающие барионы там, где их не было (а было нечто другое). К сожалению, тут нужна такая физика, которой в Стандартной модели нет.
Но механизмов таких придумано предостаточно:
Я вам подробно расскажу только один пример.
Представьте горячую, плотную, юную Вселенную. В дополнение к излучению и частицам материи и антиматерии, входящих в Стандартную модель, есть ещё одна частица (и античастица), Q (и анти-Q). Q – очень тяжёлая, сильно тяжелее протона, имеет положительный заряд +1 (как у протона) и появляется в изобилии в юной Вселенной, совместно со своими половинками, анти-Q, которые имеют ту же массу и противоположный заряд.
Поскольку они нестабильны, то при остывании Вселенной они прекратят создаваться. Большинство из них найдут друг друга и аннигилируют, а оставшиеся будут распадаться.
Для каждого варианта распада Q должен случиться соответствующий распад у анти-Q. Если Q распадается на протон и нейтрино, анти-Q должна распасться на антипротон и антинейтрино. Если Q распадается на антинейтрон и позитрон, анти-Q должна распасться на нейтрон и электрон.
Это не настоящие частицы, они приведены для примера. Но в разных теориях есть такие частицы, вроде X-и-Y бозонов в GUT и лептокварков в некоторых расширениях Стандартной модели, которые работают по очень похожим правилам.
В отсутствии нарушения СР-симметрии, они будут распадаться так же, как их противоположность.
Пока всё это скучно, этот процесс не создаст избытков массы. Но если мы допустим нарушение СР-симметрии, то разница между частицами и античастицами может быть в количестве распадов. Какой процент от Q распался на протоны и нейтрино, по сравнению с тем, какой процент от анти-Q распался на антипротоны и антинейтрино. У нас может получиться нечто, похожее на следующую картинку, что схоже с тем, что мы наблюдаем в системах с Каонами и B-мезонами. Заметьте различие между распадами Q и анти-Q.
Допустим, что наша Вселенная полна материи и антиматерии в равных долях, и излучений, которые мы проигнорируем. Допустим также, что есть куча Q и анти-Q в равном количестве, которые распадаются в соответствиями с теми нарушениями СР-симметрии, которые описаны выше.
Море протонов, нейтрино, антинейтрино, позитронов, антипротонов, антинейтрино, нейтронов и электронов. Это да. Но протонов и нейтрино будет больше, чем антипротонов и антинейтрино, и будет меньше антинейтронов и позитронов, чем нейтронов и электронов. Если мы проигнорируем лептоны (нейтрино, электроны и их античастицы), то вот, что нам оставит море распадающихся Q и анти-Q частиц.
И после того, как встретятся все пары материи и антиматерии, останется избыток материи по сравнению с антиматерией.
Какой-то вариант такого развития событий однозначно имел место и привёл к тому, что мы имеем разное количество материи и антиматерии, и что плотность материи (но не антиматерии) одинаково везде, где бы мы ни посмотрели. Даже, несмотря на то, что это одна из величайших неразрешённых задач в физике, мы многое про неё знаем, и это достойно пересказа.
Как была сотворена из ничего наша материя
«Невозможность признания, что великий и дивный мир с нами самими, как сознательными существами, возник случайно, мне кажется главным доказательством существования Бога!»
Чарльз Дарвин
Наша Вселенная расширяется с ускорением.
Причём это расширение происходит не абы как, а подчинено определённой логике. Это расширение, а также само существование материи, подчинено системе 4-х фундаментальных взаимодействий: гравитационному, электромагнитному, сильному и слабому, которые между собой очень точно отрегулированы.
Будь они чуть хуже отрегулированы, жизнь, а то и вообще существование вселенной было бы невозможным.
По поводу скорости расширения нашей Вселенной астроном Бернард Ловелл высказался так: «Если бы Вселенная расширялась на одну триллионную быстрее, то к настоящему времени во Вселенной исчезла бы вся материя… А если бы расширение происходило на одну триллионную медленнее, то уже приблизительно в первый миллиард лет существования Вселенной, гравитационные силы заставили бы её сжаться».
Что такое антропный принцип?
АП появился в современной науке, когда в результате исследований структуры Вселенной было обнаружено, что существует так называемая «тонкая подстройка» фундаментальных физических констант, т.е. что даже при небольшом изменении их численного значения Вселенная становится совершенно другой, непригодной для существования в ней человека и известных ему форм жизни.
Мир удивительно настроен на человека, если не сказать подстроен под него.
К началу XIX века утверждение о том, что Вселенная не имела начала, то есть, не имела и Творца, широко распространилась в научных и светских кругах. Карл Маркс и Фридрих Энгельс активно разрабатывали эту идею и развили ее в учение диалектического материализма, которое, получив, наконец-то, «научное обоснование», все более набирало влияние в кругах интеллигенции, и к XX веку было уже широко распространено во всей Европе.
Со временем утверждение «извечности существования Вселенной» стало одним из краеугольных тезисов атеизма, ведь если Вселенная не была сотворена и возникла случайно, то, следовательно, она не была создана Богом. Приведем цитату из книги одного из ярых сторонников идеи материализма Георга Политцера, который в начале XX века писал о невозможности существования Бога в своей книге «Принципы зарождения философии».
«Вселенная не является сотворенной кем-либо. Если бы она была сотворена, то тогда она должна была быть сотворенной Богом в определенный момент времени из Небытия. Для того чтобы принять утверждение о сотворенности Вселенной нам, прежде всего, потребуется признать, что было время, когда Вселенной не существовало, а потом она была сотворена Богом из Небытия. Но это признание неприемлемо с точки зрения науки».
Политцер выразил в этом утверждении мнение всех материалистов того времени, которые полагали, что наука работает на них и вскоре их вера будет подтверждена фактами. Однако очень скоро наука доказала то, во что так упорно не желали верить материалисты, выраженное словами Политцера «если бы она была сотворена, то … нам потребуется признать, что было время, когда Вселенной не существовало, а потом она была сотворена Богом из Небытия». Наука доказала, что Вселенная имела строго определенный миг начала бытия.
На сегодняшний день атеисты находятся в абсолютном тупике перед лицом научных фактов. Вот лишь один из примеров их реакции на факты теории Большого Взрыва, опубликованный в 1989 году в одном из самых известных органов пропаганды атеизма, в журнале «Нейчур» («Nature») его главным редактором Джоном Мэддоксом. В статье, озаглавленной «Долой Большой Взрыв» Мэддокс писал, что «теория Большого Взрыва неприемлема с точки зрения философии, ибо иначе вместе с принятием фактов Большого Взрыва мы даем мощнейшую поддержку идеям богословов о Божественной сотворенности жизни на Земле»
Более того, он предсказывал, что теория Большого Взрыва не просуществует и десяти лет. Однако, несмотря на надежды материалистов, выраженные Мэддоксом, теория Большого Взрыва получала все новые доказательства со стороны современной науки, множество открытий неоспоримо подтверждали правоту теории.
Некоторые материалисты ведут себя логичнее перед лицом этих фактов. К примеру, известный английский физик-материалист Х. Р. Липсон «пусть и не желая того», но признает сотворение Вселенной как научный факт:
«Мне кажется, что после всего открытого наукой мы должны идти дальше и признать, что единственным логичным объяснением возникновения жизни может быть лишь сотворение. Я знаю, что это сложно сделать и мне и многим ученым-физикам, таким же материалистам, как и я, но если экспериментальная наука подтверждает эти факты, мы не можем отрицать ее только лишь из – а того, что она нам не нравится».
В результате современная астрономия пришла к осознанию следующего факта: материя и время были сотворены Всевышним Создателем, не зависящим от этих двух категорий и обладающим Беспредельной Волей и Разумом. Всевышний Создатель, сотворивший нашу Вселенную – есть Великий Бог, Господь всех миров.
Применительно к человеческому обществу и его бытию можно сказать, что общественное бытие отображается на общественном сознании и таким образом определяет его, но именно отображение всеобщего Духа на последнем приводит в движение и то, и другое. Это отображение значительно шире того, что может быть описано в рамках развития производительных сил и производственных отношений, поскольку являет собой этику бытия человечества в целом. Из этого следует, что нельзя построить свободное, справедливое и процветающее общество аморальными средствами. Ускорение темпа исторического развития общества происходит благодаря тому, что чем адекватней это отображение, тем более появляется возможностей у человечества в отображении всеобщего Духа на общественное сознание.»
Великий ученый Ньютон, открывший законы движения небесных тел, как бы разоблачивший величайшую тайну мироздания, был верующим человеком и занимался богословием. Когда он произносил имя Божие, то всякий раз благоговейно вставал и снимал шляпу.
Великий Паскаль, гений математики, один из творцов новой физики, был не просто верующим, но и одним из величайших религиозных мыслителей Европы. Паскаль сказал: “Все противоречия, которые более всего, по-видимому, хотят удалить меня от позиции религии, более всего и привели к ней”.
Великий основатель всей современной бактериологии, мыслитель, глубже других проникший в тайну органической жизни – Пастер говорит: “Чем более я занимаюсь изучением природы, тем более останавливаюсь в благоговейном изумлении перед делами Творца”.
Даже Дарвин, учение которого было, потом использовано полуучеными для опровержения веры в Бога, был всю свою жизнь очень верующим человеком и в течение многих лет был церковным старостой в своем приходе. Он никогда не думал, что его учение может противоречить вере в Бога. После того, как Дарвин изложил свое учение об эволюционном развитии животного мира, его спросили, где начало цепи развития животного мира, где первое звено его? Дарвин ответил: “Оно приковано к Престолу Всевышнего”.
Великий геолог Ляйель, пишет: ” При всяком исследовании мы открываем яснейшие доказательства предусмотрительности, силы и мудрости творческого разума Бога” Ученый историк Мюллер заявляет: “Только с познанием Господа и по основательному изучению Нового Завета я стал понимать смысл истории”
С уважением, Любомир
Признают теперь ДАЖЕ современные материалисты (!!) и то, что идеальное вполне преспокойно может существовать и вне головы человека.
Вот их робкие рассуждения и частичные запоздалые признания на этот счет:
«Следует отметить, что термин «объективная реальность» в определении и означает материю, существующую реально и независимо от человека. Выше отмечалось, что объективно от человека и его сознания может существовать и идеальное. Вместе с тем, организм человека не во всем существует объективно, то есть независимо от него и его сознания. Зависимость организма человека от него самого весьма существенна по регуляции, мотивации, поддержанию нормального функционирования и другим параметрам. Идеальными признаками могут обладать другие материальные явления, особенно в культуре общества. Идеальное может признаваться и как независимое от человека объективное идеальное. В таком смысле термин «объективная реальность» может охватывать как материальную реальность (материю), так и объективно идеальное.»
Одним словом, прежний советский диамат развенчан современной наукой.
А большинство его пожилых приверженцев устремились на старости лет к Богу в храмы.
Те же, кто так и не поверили в наличие у материи сверхразумного Создателя, Творца всего сущего, из-за несоответствия их ветхих мифов о вечности материи современным строгими точным научным данным массово страдают неврозами и депрессиями.
Главную причину современной эпидемии неврозов и депрессий очень хорошо раскрыла и показала известный психолог кандидат психологических наук Марина Лебедь.
Сейчас Вы прочтете (опубликованную с согласия Марины) горькую правду-матку о главных причинах современного массового неблагополучия с пограничными расстройствами психики.
Вот перед Вами те самые мудрые пронзительные строки уважаемой Марины Лебедь:
«Метафизический страх перед смертью существует, его незримая власть над психикой огромна. Из всех критических ситуаций самыми патогенными являются те, в которых человек сталкивается со смертью. Такими ситуациями могут быть неизлечимые болезни, потеря близких родственников, участие в войне. Однако, даже вне подобных ситуаций, каждый погруженный в повседневные дела человек в глубине души знает, что победа над физической смертью иллюзия.
Негативные последствия атеистического мировоззрения колоссальны, но его разрушительные силы оценить сложно: кто считал количество людей страдающих депрессией, вызванной страхом смерти, кто считал суициды, совершенные именно по этой причине?
Человечество нуждается в новых, подлинно гуманистических мировоззренческих ориентирах, допускающих присутствие Высшего начала в Мироздании и Вечного начала в человеческой душе. Только такая система взглядов на мир дарует человеку глубокий оптимизм и веру в вечное существование его бессмертной души.»
Физики выяснили, как возникла видимая материя во Вселенной
МОСКВА, 25 фев – РИА Новости. Возможной причиной практически полного отсутствия антиматерии во Вселенной и преобладания обычной видимой материи могли послужить движения поля Хиггса – особой структуры, где «живут» бозоны Хиггса, заявляют физики в статье, принятой к публикации в журнале Physical Review Letters.
Считается, что в первые мгновения после Большого взрыва существовало равное количество материи и антиматерии. Сегодня мир заполнен материей, и этот факт является физической загадкой, так как частицы материи и антиматерии должны были уничтожить друг друга в тот момент, когда они появились в кварковом «супе» будущей Вселенной. Поэтому возникает вопрос — куда «пропала» антиматерия и почему существует Вселенная.
Российско-американский физик Александр Кусенко из университета Калифорнии в Лос-Анджелесе (США) и его коллеги полагают, что им удалось найти ответ на эту вселенскую загадку в тех данных, которые были собраны Большим Адронным Коллайдером во время первого этапа его работы, когда был обнаружен бозон Хиггса, знаменитая «частица бога».
По теории Хиггса, Вселенную пронизывает особое поле, с которым взаимодействуют все существующие элементарные частицы: чем сильнее они сцепляются с полем, тем выше будет их масса. Если это поле существует, то должны существовать и бозоны Хиггса — особые частицы, отвечающие за его взаимодействие с протонами, электронами и другими проявлениями видимой и темной материи. Как и другие бозоны, кроме фотона, «частица бога» распадается очень быстро — она живет в среднем 0,1 зептосекунды (триллионных долей наносекунды).
Изучая следы этих распадов, группа Кусенко заметила, что поле Хиггса, благодаря особым свойствам «частицы бога», могло временно перейти в относительно нестабильное энергетическое состояние во время первого расширения Вселенной непосредственно после Большого взрыва. Кусенко и его коллеги предположили, что «сдвиги» поля во время этого периода жизни Вселенной могли послужить причиной появления неоднородностей в долях материи и антиматерии.
Руководствуясь этой идеей, авторы статьи провели массу расчетов и построили компьютерную модель будущей Вселенной, которая учитывала нестабильность поля Хиггса. По их расчетам, нет никаких физических препятствий для того, чтобы такой сценарий мог быть осуществлен во время рождения Вселенной.
При достаточно медленном снижении энергии поля Хиггса, оно начнет своеобразным образом «вибрировать», и направление первой, самой сильной такой вибрации определит то, какой тип материи будет населять Вселенную. Это произойдет потому, что в такой момент массы частиц и античастиц будут временно разными, из-за чего формирование одного типа из них будет резко замедленно.
Впоследствии поле Хиггса вернется на энергетическое «дно» и массы частиц выровняются, однако порожденная его колебаниями асимметрия в числе частиц материи и антиматерии останется навсегда, что мы, собственно, и наблюдаем сегодня, заключают физики.
Откуда взялась Вселенная? Кажется, что идея, будто все это получилось из ничего, противоречит логике и здравому смыслу. Возможно, когда-нибудь наука объяснит не только то, как мир устроен, но и почему он устро ен именно так. По крайней мере, именно на это надеется, например, Ричард Докинз, который ищет ответ в теоретической физике, полагаясь на инфляционное расширение в первые доли секунды после Большого взрыва и на принцип космического отбора Вселенных, похожего на принцип естественного отбора Дарвина.
Предположение, что Вселенная расширяется (вопреки прежней статичной модели) подтверждено в 1929 году астрономом Эдвином Хабблом на основании наблюдений за спектром звезд. Окончательным подтверждением инфляции Вселенной стало обнаруженное в 1965 году реликтовое излучение, которое осталось со времен Большого взрыва. Два исследователя из «Белл телефон лабораторис» случайно обнаружили вездесущее микроволновое излучение. Поначалу ученые подумали, что причиной постоянного шипения в микроволновом диапазоне является деятельность голубей. Если включить телевизор и настроиться между станциями на пустой канал, то примерно 10 процентов черно-белых крапинок на экране вызывается фотонами, которые остались с момента рождения Вселенной. Наглядней доказательство реальности Большого взрыва невозможно придумать – вы можете увидеть остывающие остатки Большого взрыва в собственном телевизоре.
В 1970 году 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 экспериментально. На основе этих двух допущений они с математической точностью доказали, что в начале Вселенной все-таки должна быть сингулярность.
Если проследить историю расширяющейся Вселенной вспять, Вселенная будет уменьшаться, пока в момент Большого взрыва не обратится в сингулярность. Здесь теория Эйнштейна прерывается и не может предсказать начало Вселенной и начало времени — только то, как она развивалась позже. В этой точке действуют исключительно законы квантовой механики: размытые по пространству волны-частицы движутся всеми возможными путями, и Вселенная может иметь бесконечное множество предысторий. Концептуальный тупик на Большом взрыве беспокоил космологов, и они стали искать сценарии, позволяющие избежать первоначальной сингулярности.
По словам Хокинга, одно из следствий теории квантовой механики заключается в том, что события, произошедшие в прошлом, не происходили каким-то определённым образом. Вместо этого они могли происходить всеми возможными способами. Это связано с вероятностным характером вещества и энергии согласно квантовой механике: до тех пор, пока не найдётся сторонний наблюдатель, материя будет находиться в неопределённости. Стивен Хокинг пишет: «Независимо от того, какие воспоминания вы храните о прошлом в настоящее время, прошлое, как и будущее, неопределённо и существует в виде спектра возможностей».
Тем не менее остается вопрос: почему же существуют вся эта материя и энергия? Почему пространство-время нашей Вселенной обладает определенной геометрической формой и имеет конечный возраст? Почему оно насыщено разнообразными физическими полями, частицами и силами? И почему эти поля, частицы и силы подчиняются определенному набору законов – причем довольно запутанному? Разве не проще было бы, если бы не было вообще ничего?
Для бесконечного во времени мира (неважно, соответствует ли он инфляционной или другой теории) не существует необъяснимого «момента творения», в нем нет места «первопричине», нет произвольных начальных условий. Поэтому кажется, что вечный мир удовлетворяет принципу достаточной причины: его состояние в любой момент времени можно объяснить его состоянием в предыдущий момент.
Так если в момент Большого взрыва не было никакого перехода от Ничто к Нечто, то нет надобности искать причину, божественную или какую-то иную, которая вызвала к жизни Вселенную? И также нет необходимости ломать голову над поставленным нами вопросом «Откуда взялись материя и энергия во Вселенной?»: внезапного и фантастического нарушения закона сохранения энергии-массы во время Большого взрыва не было. А Вселенная всегда обладала одинаковой энергией-массой, от нулевого момента и до настоящего времени.
В каком экстремуме квантовые законы и, как следствие, исчезновение измерения времени могут проявиться на уровне Вселенной? Очевидно, когда вселенная сравнима размерами с атомным ядром. Именно это подразумевает теория Большого взрыва: все начинается с сингулярности — точки, в которой температура, плотность и искривление Вселенной были бесконечны. Из этой точки Вселенная начинает расширяться, и расширение (в соответствии с инфляционной моделью) продолжается до сих пор. Обратив вспять расширение, мы увидим, как содержимое Вселенной сближается, все более сжимаясь в одну точку. В конце концов, в самом начале космической истории, весь мир находится в состоянии бесконечного сжатия и стянут в «сингулярность». Общая теория относительности Эйнштейна утверждает, что форма пространства-времени определяется распределением энергии и материи. И когда энергия и материя бесконечно сжаты, то и само пространство-время тоже сжато – и оно просто исчезает.
Как именно, можно понять, если учесть, что через долю секунды после рождения вся наблюдаемая Вселенная была не больше атома. В таких масштабах классическая физика неприменима: в микромире правят законы квантовой теории. Поэтому космологи (среди них и Стивен Хокинг) стали задаваться вопросом: «А что, если квантовую теорию, которая использовалась только для описания субатомных явлений, применить ко всей Вселенной в целом?». Так родилась инфляционнаяквантовая космология, названная физиком Джоном Гриббином «наиболее значительным шагом вперед в науке со времен Исаака Ньютона»[1].
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, ее начальное время.
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 плодотворную идею: что, если сама Вселенная, по законам квантовой механики, возникла из случайной флуктуации? Тогда причина того, что существует Нечто, а не Ничто, состоит в неустойчивости вакуума.
Утверждение физиков «вакуум неустойчив» подчас подвергается нападкам философов. Но физический вакуум и полная пустота является названием разных объектов. Однако о пустоте можно думать не только как об объекте, но и как об описании определенного 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 наблюдаемыми физическими реалиями? Возможно ли создать в наполненной Вселенной полную пустоту?
Одним из наиболее глубоких принципов, лежащих в самой основе нашего квантового понимания природы, является принцип неопределенности Гейзенберга, утверждающий, что определенные пары свойств 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 об энергии, связанной с этим событием, и наоборот.
Квантовая неопределенность запрещает точное определение значений поля и скорости изменения этого значения. Пустота, или вакуум – 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, или же чистой пустоты попросту не существует.
Идея, что Вселенная, содержащая сотни миллиардов галактик, могла появиться из пустоты, выглядит невероятной. Как показал Эйнштейн, любая масса представляет собой застывшую 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.
Возможность создания целой Вселенной из нулевой энергии поражает воображение. С точки зрения квантовой механики Вселенная с нулевой энергией представляет собой интересную возможность. Допустим, что полная энергия Вселенной точно равна нулю. Тогда, благодаря взаимосвязи в неопределенности между энергией и временем (как утверждает принцип Гейзенберга), неопределенность во времени становится бесконечной. Другими словами, как только такая Вселенная возникнет из пустоты, то сможет существовать вечно. Что же касается причины, по которой Вселенная возникла, то это просто квантовая вероятность. Стивен Хокинг в книге «Великий замысел» пишет: «Если полная энергия Вселенной должна всегда оставаться нулевой, и необходимо затратить энергию, чтобы создать тело, как может вся Вселенная быть создана из ничего? Вот почему должен существовать такой закон, как гравитация. Так как гравитация притягивает, то энергия гравитации является отрицательной. Необходимо произвести работу, чтобы разделить гравитационно связанную систему, такую как Земля и Луна. Эта отрицательная энергия может быть сбалансирована положительной энергией, необходимой чтобы создать материю, но все не так просто. Отрицательная гравитационная энергия земли, к примеру, меньше, чем положительная энергия миллиардов частиц, из которых она состоит. Тело, такое как звезда, будет иметь больше отрицательной гравитационной энергии, и чем меньше она (частицы, из которых она состоит, находятся ближе друг к другу), тем больше будет ее отрицательная гравитационная энергия. Но прежде, чем отрицательной гравитационной энергии может стать больше положительной энергии вещества, звезда сколлапсирует в черную дыру, и черная дыра будет иметь положительную энергию. Вот почему пустое пространство стабильно. Тела, такие как звезды или черные дыры, не могут так просто появляться из ничего. Но целая Вселенная может!»[2]
Таким образом, по мнению Виленкина, переход от Пустоты к Бытию происходит в два этапа. На первом крохотный кусочек вакуума появляется из вакуума. На втором он раздувается в наполненную материей предшественницу той Вселенной, которую мы сейчас видим вокруг. На данный момент принципы квантовой механики, управляющие первым этапом, являются самыми надежными принципами в науке. Что касается теории инфляции, которая описывает второй этап, то с момента своего создания в начале 80-х годов она успешно подтверждена не только теоретически, но и эмпирически – в частности, распределением реликтового излучения, оставшегося после Большого взрыва.
Что же происходит в момент Большого взрыва со временем? Общая теория относительности объединяется с квантовой теорией: искривление времени-пространства настолько велико, что все четыре измерения ведут себя одинаково. Иными словами, времени как особого параметра нет. А если времени нет, то нет и возможности говорить о начале Вселенной во времени, что устраняет проблему творения из Ничего.
Таким образом, сингулярность в начале Вселенной является не событием во времени, а скорее временной границей или краем. До нее никакого времени не было. Поэтому не было и времени, когда преобладало Ничто. И не было никакого «возникновения» – по крайней мере, во времени. Вселенная имеет конечный возраст, хоть и существовала всегда, если под «всегда» подразумевать все моменты времени. Вековой парадокс разрешается.
[2] Stephen Hawking and Leonard Mlodinow «The Grand Design»