что такое ничего во вселенной
Существует ли «ничто» с точки зрения физики?
Если убрать все из части Вселенной, что останется? Можно подумать, что «ничего», но это не так. Можно убрать все частицы и античастицы подальше, все возможные типы излучения, всю кривизну пространства и рябь гравитационных волн — и остаться в совершенно пустом пространстве, где не с чем иметь дело. Действительно ли перед вами будет «ничего»? Или что-то все-таки будет?
Обычно такое состояние называют квантовым вакуумом. Это самое низкое энергетическое состояние пустого пространства. И удивительно, но квантовая физика учит нас, что нулевая энергия, или базовое состояние Вселенной, на самом деле не является нулевой. Напротив, это конечное, положительное значение, которое:
Не будет преувеличением сказать, что мы понимаем физику «ничего» достаточно хорошо и что у нас нет хорошего объяснения того, почему эта нулевая энергия не уменьшается и не улетучивается (да и вообще не меняется) со временем.
Но будет ли это эквивалентно «ничего»? И что более важно, так это наше понимание и восприятия природы «ничего»: иллюзия или ключ к пониманию важнейших секретов Вселенной?
Как-то странно полагать, что «наша пустота» может быть совсем не такой «пустотой» где-нибудь еще, в других местах.
Правда, такие рассуждения мало нас радуют. Эта «физика ничего» звучит как физика чего-то. Когда мы хотим понять ничто, наши представления выводят нас за пределы пространства, еще до рождения Вселенной, иначе какой в этом смысл? Как можно говорить о чем-то «за», когда у вас нет пространства? Как можно понять, что такое «до», если времени нет?
Многие физики утверждают, что невозможно ничего понять основательно, пока мы не поймем, что такое «ничто». Потому что мы не понимаем, откуда возникают фундаментальные законы, если не понимаем, какие фундаментальные законы управляют природой пустого пространства.
Таким образом, мы можем сказать, что наша Вселенная действительно взялась из небытия, из пустоты, из ничего, и ее конечное состояние может асимптотически стремиться к небытию по истечении длительного промежутка времени. Но лишь в том случае, если принять наше описание физического «ничто» за истинное ничто. Это определение «ничто» само по себе не может зависеть от нашего определения пространства, времени и «правил» Вселенной; физикам, философам и прочим не обязательно договариваться на этот счет. Просто не существует физического эксперимента, который позволит нам сказать: хех, похоже, мы, наконец-то, превратили это в ничто.
Но есть вещи, в которых мы уверены наверняка: мы существовали не всегда; мы будем существовать не всегда; мы существуем сейчас. Независимо от того, что такое «ничто», мы все являемся чем-то. И все в той или иной степени вышло из ничего, чем бы это ничто ни было. И насколько мы понимаем Вселенную, однажды она вернется в состояние бесконечной физической пустоты. Но какой будет природа этой конечной «пустоты» — на этот вопрос мы пока не ответили.
Четыре научных определения понятия «ничто»
Вселенная – огромное, разнообразное и интересное место, заполненное материей и энергией, пребывающими в различных формах; и всё это разыгрывается на сцене пространства-времени в соответствии с законами физики. Это иллюстрирует данная фотография с телескопа Хаббл, на которой видно скопление галактик IDCS J1426.5+3508. И сколько же всего нужно убрать, прежде чем мы действительно останемся ни с чем?
Наблюдая за нашим миром и нашей Вселенной, мы размышляем и рассуждаем обо всём, что находится в ней. Это различные частицы, атомы, люди, а также планеты, звёзды, галактики, и самые крупные структуры. В зависимости от того, что нас интересует, мы можем обсудить газ, пыль, излучение, чёрные дыры, или даже тёмную материю. Но всё, что мы видим, наблюдаем, или о существовании чего догадываемся, могло и не существовать там вечно. Кое-что из этого появилось из существовавшей ранее материи, иное же, вроде бы, и вовсе возникло из ничего. Неудивительно, что не все соглашаются с тем, что мы имеем в виду, научно говоря, используя слова «ничего». В зависимости от того, кого (или когда) вы спросите, вы можете получить один из следующих четырёх ответов. И вот, почему все они имеют для нас значение.
Самая одинокая галактика во Вселенной – поблизости от неё нет ни одной другой галактики на расстоянии в 100 млн световых лет. Но и это нельзя назвать истинным представлением пустого пространства.
Но имеющаяся у нас на сегодня материя появилась не из какой-то, существовавшей до неё. В какой-то момент в далёком прошлом Вселена состояла из равных частей материи и антиматерии; законы физики, известные нам, позволяют создавать их только в равных пропорциях. Однако сегодняшняя Вселенная практически вся состоит из материи, а не из антиматерии; все миллиарды миллиардов известных нам галактик состоят из материи, а не из антиматерии. Откуда взялась асимметрия? Она произошла из предыдущего состояния, бывшего симметричным; из состояния, в котором материи и антиматерии было поровну. С того времени, когда асимметрии не существовало. Некоторые считают, что это означает, будто имеющаяся у нас сегодня материя возникла из ничего – хотя с ними спорят другие люди, строго придерживающиеся других определений «ничего».
И всё же, никто не спорит о том, что научная проблема бариогенезиса, или первопричина асимметрии материи/антиматерии, является одним из наиболее обременительных загадок современной физики. Были придуманы многие идеи и механизмы появления материи (вместо антиматерии), но у нас нет свидетельств для того, чтобы объявить победителя среди них.
Стандартная Модель физики частиц описывает три из четырёх взаимодействий (все, кроме гравитации), весь набор открытых частиц, и все их взаимодействия. Благодаря сопутствующей квантовой теории поля мы также можем выяснить свойства квантового вакуума.
2) Пустое пространство. Представьте всё, что существует сегодня во Вселенной. Представьте все фундаментальные составляющие материи; каждый квант излучения; каждую чёрную дыру; каждую массу; каждую частицу и античастицу. А теперь представьте, что мы всё это убрали. Представьте, что они исчезли из Вселенной, и оставили после себя лишь пустое пространство. Что именно осталось бы после этого? Некоторые говорят, что не осталось бы ничего, и их такое определение устраивает.
Визуализация квантовой теории поля, в которой подсчёты демонстрируют виртуальные частицы квантового вакуума. Даже в пустом пространстве энергия вакуума не равна нулю.
Изображение плоского пустого пространства, без материи, энергии или кривизны. Если у этого пространства будет минимально возможная нулевая энергия, то уменьшить её уже не удастся
Скалярное поле φ в в ложном вакууме. Обратите внимание, что энергия Е выше, чем в истинном вакууме, или основном состоянии, но существует барьер, мешающий полю скатиться вниз к истинному. Во время инфляции Вселенная не находилась в состоянии истинного вакуума; возможно, что и сегодня не находится.
Если достичь этого истинного основного состояния, каким бы оно ни было, и убрать всю материю, энергию, излучение и волны пространства-времени из Вселенной, что останется? Это, вероятно, окончательная идея того, что может собой представлять «физическое ничто»: у вас всё ещё есть сцена для игры Вселенной. На ней может не быть игроков, ролей, сценария, но в великой бездне «ничто» всё ещё есть сцена. Космический вакуум будет на минимальном значении; не будет надежды извлечь из него работу, энергию или реальные частицы, но пространство-время и законы физики всё ещё будут существовать. В теории, если в такую Вселенную добавить частицу, она не будет отличаться от изолированной частицы, существующей сегодня в нашей Вселенной.
4) Всё, что останется, если убрать всю Вселенную и управляющие ею законы. И, наконец, можно представить себе, как мы убираем всё, включая пространство, время и правила, управляющие всеми частицами или квантами энергии. Это создаёт тот тип «ничего», для которого в физике нет определения. Это выходит за рамки «ничего», существующего во Вселенной, и вместо этого становится более философским, абсолютным «ничем». Но в контексте физики такому определению «ничего» смысл не придать. Нам бы пришлось предположить, что существует состояние вне пространства-времени, в котором может появиться пространство и время из этого гипотетического состояния истинного «ничто».
Возможно ли это? Как пространство-время появляются в определённом месте, если никакого пространства не существует? Как можно создать начало времени, если не существует такой концепции, как «ранее», если не существует времени? И откуда тогда возьмутся правила, управляющие частицами и их взаимодействиями? Значит ли вообще хоть что-нибудь это последнее определение «ничего», или это просто логическая конструкция, не обладающая физическим смыслом?
Флуктуации в пространстве-времени на квантовых масштабах во время инфляции растянулись на всю Вселенную, и породили несовершенства в плотности и гравитационных волнах. И хотя пространство в состоянии инфляции можно по праву во многих смыслах называть «ничем», не все с этим согласны.
В этом вопросе нет консенсуса. Из-за двусмысленностей человеческого языка можно сказать «ничто», имея в виду любое из этих определений, а пуристы с нетерпением будут ждать этого, чтобы накричать на вас за то, что вы смеете использовать слово «ничто» в контексте, менее чистом, чем их определение. Если что-то на самом деле появилось там, где раньше ничего такого не было, это можно назвать ничем, но не все с этим согласятся. Если убрать всю материю, антиматерию, излучение и даже пространственную кривизну, можно уверенно утверждать, что то, что останется, и будет ничем – но всё равно будет нечто, что останется и после такой очистки. Если убрать всю энергию, присущую самому пространству, и оставить только пространство-время и законы природы, это тоже можно назвать «ничем». Но с философской точки зрения некоторые люди всё равно останутся неудовлетворёнными. И только удалив и это оставшееся, они смогут согласиться с тем, что оставшееся можно называть «ничем».
Существование частиц и античастиц Стандартной Модели было предсказано в результате действия законов физики. Без этих законов и без сцены пространства-времени может ли появиться нечто осязаемое?
Так кто же прав? Все они, каждый по-своему. Суть не в том, чтобы спорить о том, что такое истинное «ничто», но принять и понять эти определения и их использование. Важно не путать одно с другим, и не вступать в перепалку по поводу того, почему нельзя использовать слово определённым образом. Вместо этого, когда кто-то – а особенно учёный – употребляет слово «ничто», попробуйте понять, какое именно значение он имеет в виду, и какое явление он пытается объяснить. Поскольку, несмотря на всё наше воображение, единственная истинная модель знаний о чём угодно основана на том, что мы можем проверить в нашей физической реальности. Всё остальное, неважно, насколько логично оно может звучать, будет лишь концепцией нашего разума.
Что такое «ничто»: рождение Вселенной из великой пустоты
Что скрывается за загадочным словом «ничто», и как Вселенная буквально создает ткань реальности из пустого места?
Что мы представляем себе, когда слышим слово «ничто»? Большинство сразу подумает о неком пустом пространстве, в котором нет никаких объектов. На самом же деле с точки зрения физики «ничто» скрывает в себе массу интересных деталей. Канал PBS Space Time подготовил интересный ролик, в котором популярным языком приоткрыл завесу над загадочным «ничто».
Итак, что же это за странное явление? Пространство, в котором нет ни одной частицы (в тех местах, где они могли бы быть гипотетически) физики называют «вакуумом» или «вакуумным состоянием». Благодаря квантовой механике, ученые выяснили, что вакуум обладает некоторыми странными свойствами. Одним из основополагающих принципов квантовой механики является принцип неопределенности Гейзенберга. У него довольно сложное формальное определение, но, говоря простым языком, его можно выразить так: чем точнее измеряется одна характеристика частицы, тем менее точно можно измерить вторую.
Принцип неопределенности, как ни странно, верен не только для частиц, но и для энергии, и даже для времени. Таким образом, чем больше вам известно об энергии частицы, тем меньше информации о ее положении во времени, и наоборот. Здесь-то и происходит самое удивительное: если вам точно известно, что в определенной точке пространства частицы нет и быть не может (а таким пространством в данном случае является вакуум), то, следуя логике принципа Гейзенберга, в этой точке сосредоточено такое количество энергии, которой может быть достаточно для формирования самой частицы!
Парадокс, не правда ли? Физики называют такие частицы «виртуальными», и в основном выражают их как квантовые флуктуации. Иными словами, если создать достаточное количество «ничто», то Вселенная автоматически будет пытаться заполнить эту пустоты, буквально создавая частицы… из ничего. Более того, некоторые специалисты считают, что с высокой долей вероятности вся Вселенная — это одна большая виртуальная частица. Эта гипотеза носит название «вакуумного генезиса» и заключается в том, что Вселенная первоначально родилась из великого «ничто», которое существовало вне времени. Конечно, практическим путем доказать это ученые не могут, но пища для ума нашим потомкам уж точно обеспечена.
предполагает, что топология Вселенной изогнута таким образом, что она соединяется обратно сама с собой, как пончик или бублик.
Точно так же, как вы можете свернуть в трубочку лист бумаги, не изменяя его параллельных свойств, Вселенная может иметь форму пончика, оставаясь плоской. Именно это и обнаружили исследователи с помощью моделирования космического микроволнового фона.
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»