В сущности, эта особенность указывает просто-напросто на неизбежные возмущения системы во время измерения, однако есть в ней и кое-что более глубокое, связанное с поведением материи на микроскопическом уровне. Система в вакуумном состоянии обладает энергией, строго равной нулю: она должна наблюдаться при измерениях, достаточно протяженных во времени, теоретически – бесконечных, но при измерениях более коротких система должна флуктуировать, как и любая другая, проходя через все свои возможные состояния, включая те, очень маловероятные, когда ее энергия сильно отличается от нулевого значения. Одним словом, неопределенность предполагает образование в вакууме на короткое время микроскопических сгустков энергии, очень быстро распадающихся. Чем меньше энергия такого аномального сгустка, тем дольше он может сохраняться.
Так что если мы представляем себе поведение вакуума на микроскопическом уровне, то нам вовсе не надо думать о чем-то скучном, статичном, всегда остающимся тождественным себе. Тончайшая ткань вакуума представляет собой кипение мириад микроскопических флуктуаций. Те из них, энергия которых оказывается высокой, тут же распадаются, а те, у которых энергия нулевая, могут существовать вечно.
Дело усложняется, если рассматривается присутствие вещества и антивещества. Квантовые флуктуации вакуума могут принимать форму спонтанно рождающихся пар частица/античастица. Стало быть, вакуум можно рассматривать как неисчерпаемый кладезь вещества и антивещества. Неопределенностью, даваемой соответствующим принципом, можно воспользоваться для того, чтобы извлечь из вакуума один электрон – если его быстро вернуть на место, то никто и не заметит. Достаточно действовать побыстрее, и дело сделано! Но только одолжить у вакуума придется целую пару – электрон и позитрон. Тут приходится проявлять осторожность, так как закон сохранения заряда строже, чем закон сохранения энергии, и не допускает исключений. Я не могу вытащить один только электрон, так как он изменит состояние всего вакуума, сделав его положительно заряженным. Я должен одновременно вытащить оттуда и позитрон, положительно заряженный электрон, чтобы сохранить ненарушенной всю систему в целом. Одним словом, достаточно одалживать у вакуума равные количества вещества и антивещества, и вакуум не воспротивится. Останется только проблема с суммарной энергией пары частица/античастица: чем меньше их масса, тем большим временем на свободе они располагают. Перемена заканчивается, принцип неопределенности звонит в колокольчик, оба “школьника” должны дисциплинированно вернуться в класс.
У этой механики нет статуса какого-то абстрактного постулата – это обычный материальный процесс, который можно каждый день наблюдать в любом ускорителе элементарных частиц. Встряхните энергично вакуум встречными пучками, и он откликнется новыми частицами, с тем большими массами, чем больше энергия пучков. Так из вакуума в больших количествах извлекаются частицы для самых разных целей: от радиоактивных изотопов для диагностических нужд радиационной медицины до бозона Хиггса в Большом адронном коллайдере.
Вакуум – это нечто живое, динамическая и неустанно меняющаяся субстанция, набухающая потенциями, беременеющая противоположностями. Это не ничто – напротив, это система, лопающаяся от переполняющих ее вещества и антивещества. В определенном смысле она сходна с нолем, как о нем думали индийские математики. Ноль далек от того, чтобы быть не-числом, – он вмещает в себя всю совокупность положительных и отрицательных чисел, организованных симметричными парами, одинаковых по модулю и противоположных по знаку, в сумме дающих нуль. Аналогию можно продолжить, включив в нее молчание, понимаемое как суперпозиция всех возможных звуков, когда они попарно уничтожают друг друга, оказавшись в противофазах, или тьму, рождающуюся из интерференции световых волн.
Предположение, что все происходит из квантовой флуктуации вакуума, возникло естественным образом, едва только выяснилось, что в нашей Вселенной отрицательная энергия гравитационного поля в точности компенсирует положительную энергию тяготеющих масс. Вселенная с такими свойствами может родиться из простой флуктуации и, как говорят нам законы квантовой механики, может остаться с нами навсегда. Вселенная с нулевой полной энергией представляет нам особый вариант традиционной теории Большого взрыва – когда начальная сингулярность оказывается избыточной.
Вакуум и хаос
В определенном смысле наука ХХI века вернула актуальность повествованию Гесиода, в “Теогонии” которого замечается, в частности, что “прежде всего во вселенной Хаос зародился”[12]. Утверждение прекрасно укладывается в научный дискурс, если только мы не будем отождествлять его, в соответствии с самой распространенной и обычной традицией, с беспорядком, никак не дифференцированным. Скорее в данном случае надо вернуться к исходному смыслу слова – оно созвучно с греческим χαίνω (хайно), “раскрываться”, χάσκει (хаске), “стоять с открытым ртом”, и χάσμα (хазма), “бездна”. Тогда получается что-то вроде “черной широко распахнутой глотки”, “мрачной бездны”, “темного водоворота”, “огромной пустоты, способной поглотить и скрыть в себе все что угодно”.
На протяжении долгого времени слово “хаос” использовалось в своем исходном значении. Ассоциация с беспорядком возникла значительно позднее, прежде всего у Анаксагора, а потом у Платона. У них хаос становится вместилищем бесформенной материи, которой предстоит стать упорядоченной каким-то высшим началом. Будь то Дух или Демиург – он придает исходному грубому и лишенному качеств материалу порядок, создавая космос, организованную и совершенную систему, все упорядочивающую и всем управляющую. С тех пор такое понимание слова сохранилось на тысячелетия.
Но начальный хаос, понимаемый как пустота, принципиально отличен от беспорядка. Нет системы более упорядоченной, регламентированной и симметричной, чем вакуум. Все в нем подчинено строгому закону, каждая материальная частица появляется рука об руку с соответствующей ей античастицей, каждая флуктуация покорно соблюдает условия принципа неопределенности, все движется в строго размеренном ритме, все движения складываются в безупречную хореографию, в которой нет места импровизациям виртуозов.
Каким-то образом этот идеальный механизм вдруг рушится, что-то странное внезапно вторгается в него и выскакивает на середину сцены, вдруг одним движением запускает процесс, в ходе которого вместе возникают пространство-время и материя, его искривляющая.
Высший порядок, царивший во всем, рушится в долю секунды, и крошечная квантовая флуктуация раздувается до колоссальных размеров, запуская процесс, который мы называем космической инфляцией. Многие детали этого явления от нас пока ускользают, в частности, идентичность материальной частицы, инфлатона, которая образуется из вакуума чисто случайно и дает начало волшебной сарабанде[13] – о ней-то мы и поговорим в следующей главе.
День 1Безудержным вздохом создано чудо
Все случилось в одно мгновение. И поначалу возникшая микроскопическая структура показалась бы ничем не примечательной, не отличающейся от окружающих. Присмотревшись, можно было бы заметить что-то вроде тончайшей пены. Мириады составляющих ее мельчайших флуктуаций могли бы вызвать в памяти предсуществующую жидкость мифологических историй афрос (αφρός), которая именно пену и означает, ту самую, что дала имя Афродите, родившейся из крови и спермы Урана. Хронос, его сын, отсек ему член косой, в отместку за мать Гею, и выбросил его в море, и чудом закипели спокойные воды вокруг Кипра.
Из квантовой пены предстояло родиться кое-чему еще более чудесному, чем богиня любви и красоты: целой Вселенной. Но тогда еще никто не смог бы предугадать, что случится. Прошло всего 10–35 секунды от момента, когда она сформировалась, – интервал времени настолько незначительный, что нам бы и не удалось ни о чем подумать. Мы ожидали бы, что крошечный пузырек, на котором сосредоточено наше внимание, сейчас рассосется, как все остальные, дисциплинированно вернувшись в строй. Но нет: неудержимым вздохом он стал безмерно расти. Вдруг бесконечно малый объект, флуктуировавший упорядоченно и спокойно, согласно строгому ритуалу принципа неопределенности, был охвачен пароксизмом. Охватившее его безумие распространяется и на окружающий его вакуум, уничтожая его бесповоротно. Все происходит настолько быстро, что, если бы мы захотели рассмотреть, что именно произошло, нам потребовалась бы рапидная киносъемка. Только никакая камера не справилась бы с этой задачей, не успела бы запечатлеть детали метаморфоз, идущих с такой скоростью.
Потом внезапно все вдруг успокоилось, и странная вещь, обретшая, казалось, навсегда самостоятельное существование, продолжала расширяться, хотя и со скоростью значительно меньшей.
Мы присутствовали при рождении вселенной, нашей Вселенной. Заканчивается первый день, и уже рождена Вселенная, содержащая в себе все, что ей понадобится для эволюции на протяжении последующих 13,8 миллиарда лет, но пока прошло только 10–32 секунды.
Это странное первичное поле
Итак, Вселенная началась с крошечной флуктуации вакуума, которая по мере расширения заполнялась странной субстанцией, заставлявшей ее раздуваться до бесконечности.
Первым предложил теорию, развившуюся потом в современную космологию, Алан Гут, молодой физик, получивший ученую степень в Массачусетском технологическом институте и приступивший в свои тридцать два года к поиску работы в каком-нибудь престижном американском университете. Его пригласили вести семинар в Корнеллском университете, одном из лучших, и именно там в 1979 году он представил свою революционную теорию.
Как мы уже видели, традиционная теория Большого взрыва, хотя и подтверждалась большей частью наблюдений, все-таки оставляла слишком много вопросов без ответа.