Почему энергия замкнутой вселенной равна нулю, объяснить довольно просто. Легче всего рассуждать по аналогии с тем, что в ней полный электрический заряд тоже должен быть равен нулю.
Со времен Майкла Фарадея мы представляем себе электрический заряд как источник электрического поля (на современном квантовом жаргоне можно сказать, что поле вызывается испусканием виртуальных фотонов, как описано выше). Мы представляем себе линии поля, которые радиально исходят от заряда: плотность их пропорциональна заряду, а направлены они наружу, если заряд положительный, или внутрь, если он отрицательный, как показано ниже.
Мы представляем, как эти линии уходят в бесконечность, как они расходятся все дальше и дальше друг от друга. Это предполагает, что электрическое поле становится все слабее и слабее. Однако в замкнутой вселенной линии поля, например при положительном заряде, поначалу расходятся, но потом, в точности как меридианы на карте Земли сходятся на Северном и Южном полюсах, тоже сойдутся на дальнем конце вселенной. Когда они начнут сближаться, поле будет становиться все сильнее и сильнее, пока не наберет достаточно энергии, чтобы создать отрицательный заряд, который сможет «заглотить» линии в точке-антиподе.
Так вот, оказывается, что похожие рассуждения – только речь в них идет не о «потоке» линий поля, а о «потоке» энергии в замкнутой вселенной – приводят нас к выводу, что полная положительная энергия, в том числе и та, которая связана с массой покоя частиц, должна полностью компенсироваться отрицательной гравитационной энергией, чтобы полная энергия была в точности равна нулю.
Но если полная энергия замкнутой вселенной равна нулю, а метод суммирования через интегралы по траекториям в квантовой теории пригоден, то по законам квантовой механики подобные вселенные могут спонтанно возникать без зазрения совести и без всякой результирующей энергии. Хочу подчеркнуть, что каждая такая вселенная представляет собой изолированное пространство – время, никак не связанное с нашим.
Но не все так просто. Замкнутая расширяющаяся Вселенная, полная вещества, должна в общем случае расшириться до максимальных размеров, а затем так же быстро схлопнуться, и тогда получится пространственно-временная сингулярность, а какой будет ее участь, незаконченная теория квантовой гравитации пока что не может нам сказать. Поэтому характерное время жизни крошечных замкнутых вселенных будет микроскопическое, возможно порядка планковского времени – характерного масштаба времени, на котором положено действовать квантово-гравитационным процессам: около 10–44 с.
Однако из этого тупика есть выход. Если до того, как такая вселенная схлопнется, конфигурация полей в ней приведет к периоду инфляции, то даже крошечная поначалу замкнутая вселенная может быстро, экспоненциально расшириться, становясь за это время все ближе к бесконечно большой плоской вселенной. И если продолжительность инфляции будет в сотню раз больше, чем время удвоения ее размера, вселенная станет так близка к плоской, что запросто сможет просуществовать гораздо дольше нынешнего возраста нашей Вселенной – и не схлопнется.
На самом деле есть и другой вариант, от которого у меня всегда случается легкий приступ тоски по прошлому (а заодно и зависти), поскольку столкновение с этим вариантом было для меня очень поучительным. Начиная работать в Гарварде сразу после защиты диссертации, я раздумывал над возможными вариантами квантовой механики гравитационных полей и узнал, что мой добрый приятель по магистратуре Иэн Аффлек получил один интересный результат. Иэн – канадец, он был аспирантом в Гарварде, когда я учился в Массачусетском технологическом институте, и вступил в Гарвардское общество молодых ученых за несколько лет до меня. Он воспользовался математической теорией Фейнмана, которую мы теперь применяем для работы с элементарными частицами и полями, – так называемой квантовой теорией поля – и вычислил, как в сильном магнитном поле могут рождаться частицы и античастицы.
Я понял, что та форма решения, которую описал Иэн, – иногда ее называют «инстантон» – очень напоминает инфлирующую вселенную, если применить тот же метод к случаю гравитационного поля. При этом результат получался похожим на вселенную с инфляцией, которая началась из ничего! Однако писать об этом результате было рано: я плохо понимал, какая именно физика соответствует этому математическому решению. А вскоре выяснилось, что, пока я ломал голову, мой сосед, очень талантливый и оригинально мыслящий космолог Александр Виленкин, о котором я уже писал и с которым мы в итоге подружились, уже успел напечатать статью, где именно таким образом рассказывалось, как квантовая гравитация и правда может создать инфлирующую вселенную прямо и непосредственно из ничего. Меня обошли, но расстраиваться я не стал, потому что (1) и правда тогда еще не во всех подробностях понимал, что, собственно, делаю, и (2) Виленкин просто оказался храбрее и сообщил о том, о чем я побоялся. Впоследствии я усвоил, что можно публиковать работу, даже не разобравшись до конца во всех следствиях из своей идеи. Я и сам полностью понял несколько самых важных своих статей, только когда после публикации прошло уже очень много времени.
Так или иначе, хотя Стивен Хокинг и его коллега Джим Хартл предложили совсем другой путь к определению «граничных условий», при которых вселенные могут возникать из ничего, главное здесь вот что:
1. В квантовой гравитации вселенные могут и, более того, всегда будут спонтанно возникать из ничего. Подобные вселенные не обязаны быть пустыми, они могут иметь вещество и излучение, но лишь при условии, что полная энергия с учетом отрицательной энергии, связанной с гравитацией, будет равна нулю.
2. Чтобы замкнутые вселенные, которые могут возникнуть в результате подобных механизмов, просуществовали больше неизмеримо крошечного планковского мига, нужно нечто вроде инфляции.
В результате единственная долгоживущая вселенная, которая возникает в результате подобного сценария и в которой можно рассчитывать поселиться и жить, – это вселенная, которая на сегодняшний день выглядит как плоская, в точности как та, в которой живем мы с вами.
Мораль ясна: квантовая гравитация не только допускает возникновение вселенных из ничего – в данном случае это, подчеркиваю, означает отсутствие пространства и времени – она может требовать этого. «Ничто» в этом смысле – то есть отсутствие пространства, времени и чего-либо вообще! – нестабильно.
Более того, следует ожидать, что общие характеристики такой вселенной, если она проживет долго, будут совпадать с теми, которые мы наблюдаем в нашей нынешней Вселенной.
Доказывает ли это, что наша Вселенная возникла из ничего? Нет, конечно. Но это позволяет еще на шаг приблизиться к принятию такого сценария. А кроме того, оно снимает еще одно возражение против идеи создания из ничего, как было написано в предыдущей главе. Там «ничто» означало пустое, но уже существующее пространство в сочетании с определенными и хорошо известными законами физики. Теперь же необходимость в пространстве отпала.
Однако, как мы сейчас увидим, может быть, что и законов физики не нужно и не требуется.
Глава 11Дивные новые миры
Это было самое прекрасное время, это было самое злосчастное время…
Главная сложность с идеей сотворения мира состоит в том, что она, очевидно, требует, чтобы еще до акта творения существовали какие-то внешние силы, нечто вне самой системы, которые создали условия, необходимые для возникновения этой системы. Именно здесь обычно говорят о необходимости Бога, внешнего движителя, существующего независимо от пространства, времени и, более того, от физической реальности как таковой, поскольку больше валить уже не на кого. Но в этом смысле Бог, мне кажется, слишком легкий семантический ответ на глубокий вопрос о сотворении мира. Думаю, лучше всего эта мысль объясняется в контексте несколько другого примера – происхождения морали, о котором мне рассказал мой друг Стивен Пинкер.
Откуда взялась мораль? Она вечна и абсолютна или обусловлена исключительно контекстом нашей биологии и окружающей среды, а следовательно, ее можно определить научными методами? Во время дебатов по этому вопросу, организованных в Университете штата Аризона, Пинкер указал на следующий парадокс.
Если кто-то, подобно многим глубоко религиозным людям, говорит, что без Бога не было бы никакого абсолютного добра и зла, то есть что именно Бог определяет, что для нас добро, а что зло, можно спросить: а если бы Бог постановил, что насиловать и убивать – это нормально с точки зрения морали? Стали бы эти поступки моральными?
Кто-то даже ответит, что да, но все-таки большинство верующих, по-моему, скажут, что нет, Господь бы такого не допустил. Но почему? Потому, что у него были бы причины этого не допускать. Опять же доводы здравого смысла говорят, что убийство и насилие аморальны. Но если Богу тоже нужно апеллировать к доводам здравого смысла, зачем нам вообще такой посредник?
Подобным же образом можно рассуждать и о появлении Вселенной. Все примеры, которые я до сих пор привел, и в самом деле предполагают, что нечто возникло из того, что так и тянет считать «ничем», однако должны заранее существовать законы для такого появления, то есть законы физики. Откуда же они взялись?
Варианта два. Или их определяет Бог или какая-то Божественная сущность, не подчиняющаяся этим законам и живущая вне их то ли по собственной прихоти, то ли со злым умыслом, или законы эти возникают посредством какого-то менее сверхъестественного механизма.
Если предположить, что законы определяет Бог, то возникнет проблема: как минимум можно задаться вопросом, кто определяет законы Бога. Традиционно на это отвечают, что Бог, наряду с другими поразительными качествами Творца, есть начало всех начал и причина всех причин (на языке римско-католической церкви), что он первопричина (по Фоме Аквинскому), а на языке Аристотеля – перводвигатель.