По его завершению, общая конфигурация материи и излучения представляла собой, по существу, плоскую Вселенную, в которой средняя ньютоновская гравитационная энергия всех объектов оказалась равной нулю. Так происходило бы почти всегда, если бы можно было очень тонко настроить величину инфляции.
Таким образом, наша наблюдаемая Вселенная могла возникнуть в виде микроскопически малой области пространства, которая могла быть фактически пустой, и все же вырасти до огромных масштабов, содержащих в итоге большое количество материи и излучения, не затратив ни капли энергии и имея достаточно материи и излучения, чтобы объяснить все то, что мы видим сегодня!
Важным моментом, который стоит подчеркнуть в этом кратком резюме инфляционной динамики, рассмотренной в Главе 6, является то, что нечто может возникнуть в пустом пространстве именно потому, что энергетика пустого пространства, в присутствии гравитации, совсем не такая, как мы могли бы предполагать, руководствуясь здравым смыслом, пока не обнаружили основополагающие законы природы.
Но никто никогда не говорил, что Вселенная руководствовалась тем, что мы, в нашем маленьком, ограниченном уголке пространства и времени, могли поначалу считать разумным. Конечно, кажется разумным априори предположить, что материя не может спонтанно возникнуть из пустого пространства, поэтому что-то, в этом смысле, не может возникнуть из ничего. Но когда мы принимаем во внимание динамику гравитационной и квантовой механики, мы видим, что этот практичный взгляд уже не верен. В этом красота науки, и в этом не должно быть ничего угрожающего. Наука просто заставляет нас пересмотреть то, что имеет смысл для устройства Вселенной, а не наоборот.
Итак, подводим итог: наблюдение, что Вселенная является плоской, и что локальная ньютоновская гравитационная энергия практически равна нулю, сегодня позволяет однозначно предположить, что наша Вселенная возникла в процессе, подобном инфляции, процессе, при котором энергия пустого пространства (ничего) преобразуется в энергию чего-то, в то время как Вселенная становилась все более и более плоской на всех наблюдаемых масштабах.
Тогда как инфляция демонстрирует, как пустое пространство, наделенное энергией, может создать практически все, что мы видим, включая невероятно большую и плоскую Вселенную, было бы нечестно говорить, что пустое пространство, наделенное энергией, которая движет инфляцией, на самом деле ничто. При этой картине нужно предположить, что пространство существует и может сохранять энергию, и, используя законы физики, вроде общей теории относительности, можно вычислить последствия. Так что, если мы остановились здесь, может быть справедливым утверждение, что современная наука далека от реального решения — как получить что-то из ничего. Как бы то ни было, это только первый шаг. По мере расширения нашего понимания, мы увидим, что инфляция может представлять собой лишь кончик космического айсберга небытия.
Глава 10: Нестабильное ничто
Fiat justitia, ruat caelum.
(Пусть свершится правосудие и рухнет небо).
Существование энергии в пустом пространстве (открытие, потрясшее нашу космологическую вселенную, и идея, составляющая краеугольный камень инфляции) только укрепляет в квантовом мире то, что уже хорошо себя зарекомендовало в связи с определенного рода лабораторными экспериментами, о которых я уже упоминал. Пустое пространство сложно для понимания. Это кипящее варево виртуальных частиц, которые появляются и исчезают за время столь короткое, что мы не можем видеть их непосредственно.
Виртуальные частицы являются проявлениями основного свойства квантовых систем. В основе квантовой механики лежит правило, которое иногда управляет политиками или Центрами по наблюдению Земли — пока никто не наблюдает, что-то происходит. Системы продолжают двигаться, ежеминутно находясь между всеми возможными состояниями, в том числе состояниями, которые были бы недопустимы, если бы система была фактически измерена. Эти «квантовые флуктуации» указывают на неотъемлемую особенность квантового мира: ничто всегда производит что-то, хотя бы на мгновение.
Но вот беда. Сохранение энергии говорит нам, что квантовые системы могут нарушать закон лишь на небольшое время. Как при присвоении денег биржевым брокером, если состояние, в котором колеблется система, тайком присвоит некоторое количество энергии пустого пространства, то система должна вернуть эту энергию во время, достаточно короткое, чтобы никто, производящий измерения в системе, не смог этого обнаружить.
В результате, вы можете позволить себе с уверенностью утверждать, что это «что-то», созданное квантовыми флуктуациями, эфемерно — не поддается измерению, в отличие, скажем, от вас, или меня, или Земли, на которой мы живем. Но это эфемерное творение тоже подвержено условиям, связанным с нашими измерениями. Рассмотрим, например, электрическое поле, распространяемое заряженным объектом. Оно, безусловно, реально. Вы можете почувствовать воздействие статического электричества на волосы или наблюдать воздушный шарик, прилипший к стене. Однако квантовая теория электромагнетизма предполагает, что статическое поле возникает в результате излучения, благодаря заряженным частицам, участвующим в создании поля, виртуальным фотонам, обладающим, по существу, нулевой полной энергией. Эти виртуальные частицы, поскольку имеют нулевую энергию, могут распространяться по всей Вселенной, не исчезая, а поле, за счет суперпозиции многих из них, настолько реально, что его можно почувствовать.
Иногда условия таковы, что реальные, массивные частицы могут фактически выскочить из пустого пространства безнаказанно. В одном примере две заряженные пластины сводят близко друг к другу и, как только электрическое поле между ними становится достаточно сильным, для реальной пары частица-античастица становится выгодным «выглянуть» из вакуума, с отрицательным зарядом, направленным к положительной пластине, и положительным зарядом, направленным к отрицательной. При этом вполне возможно, что снижение энергии, обусловленное снижением суммарного заряда на каждой из пластин, и, следовательно, электрического поля между ними, может быть больше, чем энергия, связанная с энергией массы покоя, необходимой для получения двух реальных частиц. Конечно, напряженность поля должна быть огромной, чтобы такое условие было возможным.
Фактически существует место, где явление, похожее на то, что описано выше, может происходить благодаря сильным полям иного рода, в данном случае благодаря гравитации. Осознание этой идеи фактически сделало Стивена Хокинга известным среди физиков в 1974 году, когда он показал, что черные дыры, за пределы которых, по крайней мере, при отсутствии квантово-механических факторов, ничто не может вырваться, могли бы излучать физические частицы.
Есть много разных способов пытаться понять это явление, но один из них поразительно схож с ситуацией, которую я описал выше с электрическими полями. Внешняя поверхность ядра черных дыр является радиусом, называемым «горизонтом событий». Из-за горизонта событий ни один объект не может классически вырваться, потому что вторая космическая скорость превышает скорость света. Таким образом, даже свет, излучаемый внутри этой области, не может выбраться за пределы горизонта событий.
А теперь представьте, что пара частица-античастица зарождается из пустого пространства сразу за горизонтом событий благодаря квантовым флуктуациям в этой области. Одна из частиц может фактически попасть внутрь горизонта событий, и при этом, падая в черную дыру, потерять достаточно гравитационной энергии, чтобы эта энергия вдвое превышала массу покоя обеих частиц. Это означает, что частица-партнер может улететь в бесконечность и быть наблюдаемой без нарушения закона сохранения энергии. Общая положительная энергия, связанная с испускаемой частицей, с лихвой компенсируется потерей энергии, которую испытывает ее частица-партнер, падающая в черную дыру. Поэтому черная дыра может испускать частицы.
Однако ситуация становится еще более интересной, из-за того что энергия, теряемая падающей внутрь частицей, больше, чем положительная энергия, связанная с ее массой покоя. В результате, когда она падает в черную дыру, общая система черной дыры плюс частицы на самом деле обладает меньшей энергией, чем это было до того, как частица в нее упала! Черная дыра поэтому фактически становится светлее, когда частица попадает внутрь, на величину, которая эквивалентна энергии, уносимой излучаемой, сбежавшей частицей. В конце концов, черная дыра может испариться полностью. На данный момент мы этого не знаем, потому что конечные стадии испарения черных дыр включают физику на таких малых масштабах расстояний, что одна только общая теория относительности не может дать нам окончательный ответ. На этих масштабах гравитация должна рассматриваться как полностью квантово-механическая теория, и нашего нынешнего понимания общей теории относительности не достаточно, чтобы точно выяснить, что произойдет.
Тем не менее, все эти явления говорят о том, что при правильных условиях что-то не только может появиться из ничего, но и должно.
В космологии один из первых примеров того, что «ничто» может быть нестабильным и образовать что-то, был получен благодаря попыткам понять, почему мы живем во Вселенной материи.
Вы, наверное, просыпаясь каждое утро, не спрашиваете об этом, но тот факт, что наша Вселенная содержит материю, замечателен. А особо замечательно в нем то, что, насколько мы можем судить, наша Вселенная не содержит в значительном количестве антиматерию, которая, как вы помните, предусматривается квантовой механикой и теорией относительности, так что для каждой частицы, известной нам в природе, может существовать эквивалентная античастица с противоположным зарядом и той же массой. Казалось бы, любая разумная Вселенная в момент создания будет содержать равное количество частиц обоих видов. В конце концов, античастицы обычных частиц имеют такую же массу и подобные другие свойства, так что если частицы были созданы в начале времен, было бы столь же легко создать античастицы.