Так или иначе последнее слово осталось за данными, и оно уже произнесено. Наблюдаемая Вселенная предельно близка к плоской – близка настолько, насколько мы можем измерить. Ньютонова гравитационная энергия галактик, движущихся вместе с хаббловским расширением, равна нулю независимо от наших пожеланий.
Теперь я хочу рассказать, почему если наша Вселенная возникла из ничего, то следует ожидать как раз того, что она будет плоской и с нулевой полной Ньютоновой гравитационной энергией каждого объекта. Это объяснение не совсем очевидно, и мне не вполне удалось донести его до слушателей моих популярных лекций, поэтому я рад, что у меня наконец-то появилось достаточно места, чтобы разложить все по полочкам.
Для начала надо четко понимать, какое именно «ничто» мы будем обсуждать. Это самая простая версия «ничего», то есть пустое пространство. Для начала предположим, что существует пространство, в котором нет ничего, а еще существуют законы физики. Опять же я отдаю себе отчет, что если взять определение «ничего» в обновленном и пересмотренном виде, – а такие определения предлагают те, кто хочет постоянно придавать словам новый смысл, так, чтобы никакое научное определение не было практически применимо, – то эта версия «ничего» не будет соответствовать нашим ожиданиям. Однако подозреваю, что пустое пространство, в котором ничего нет, – это, пожалуй, хорошее приближение к «ничему» в понимании Платона и Фомы Аквинского, когда они задумывались о том, почему на свете есть нечто, а не ничего.
Как мы убедились в главе 6, Алан Гут объяснил в деталях, как именно можно получить нечто из подобного рода «ничего» – тот самый бесплатный обед по высшему разряду. Пустому пространству можно приписать ненулевую энергию даже в отсутствие вещества и излучения. ОТО говорит, что пространство будет экспоненциально расширяться, так что даже те области, которые поначалу были очень-очень малы, быстро достигают размера, в который свободно поместится вся Вселенная, которую мы сегодня видим.
В той же главе я рассказал, что при таком стремительном расширении область, в которую в конечном итоге войдет вся наша Вселенная, будет становиться все более и более плоской, хотя энергия, содержащаяся в пустом пространстве, при росте Вселенной тоже растет. Это явление можно объяснить без каких-либо подтасовок или вмешательства свыше. Это возможно, потому что гравитационное «давление», связанное с подобной энергией пустого пространства, на самом деле отрицательно. Отрицательное давление предполагает, что, когда пространство расширяется, расширение накачивает его энергией, а не наоборот.
Эта картина подразумевает, что, когда инфляция прекращается, энергия, заключенная в пустом пространстве, превращается в энергию реальных частиц и излучения, что, в сущности, и создает прослеживаемую историю расширения Вселенной, начавшегося с Большого взрыва. Я говорю о возможности проследить историю расширения, поскольку при инфляции, в сущности, стирается вся память о состоянии Вселенной до его начала. Все сложности и нерегулярности на первоначально больших масштабах (если существовавшая до того Вселенная или метавселенная была большой и даже бесконечно большой) сгладились и/или ушли так далеко за наш сегодняшний горизонт, что после достаточно продолжительного инфляционного расширения мы будем всегда наблюдать практически однородную Вселенную.
Я называю ее
В сухом остатке общая конфигурация вещества и излучения будет именно такой, какая характерна для плоской Вселенной, то есть такой, в которой средняя Ньютонова гравитационная энергия всех объектов равна нулю. Так будет почти всегда, если только не подстроить очень тонко количество инфляции.
Поэтому вполне может быть, что наша наблюдаемая Вселенная начиналась как ничтожно малая область пространства, в сущности, пустая, и все равно впоследствии она разрослась до исполинских размеров и содержит вдоволь вещества и излучения. Все это не стоило ни капли энергии, но вещества и энергии хватило для построения всего, что мы сегодня наблюдаем!
В этом кратком резюме инфляционной динамики, которая подробно обсуждалась в главе 6, стоит обратить внимание, 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 открыли основополагающие законы природы.
Но никто никогда не говорил, что Вселенная руководствуется тем же, что когда-то казалось разумным нам, близоруко глядящим на нее из нашего уголка пространства и времени. Конечно, априори кажется разумным вообразить, что вещество не может возникать спонтанно из пустого пространства, то есть что нечто не может возникнуть из ничего. Но когда мы принимаем в расчет динамику гравитации и квантовую механику, то обнаруживаем, что точка зрения здравого смысла уже не верна. В этом и состоит красота науки, и бояться этого не следует. Просто наука заставляет нас пересмотреть то, что кажется разумным и очевидным, чтобы привести свои взгляды в соответствие с устройством Вселенной, а не наоборот.
Подведу итог. Тот факт, что сегодня Вселенная плоская и что местная Ньютонова гравитационная энергия в ней в среднем равна нулю, – сильный довод в пользу того, что наша Вселенная возникла в результате процесса, подобного инфляции, процесса, посредством которого энергия пустого пространства (ничего) преобразуется в энергию чего-то, и в то время, за которое Вселенная становится все ближе и ближе к плоской на всех наблюдаемых масштабах.
Хотя инфляция показывает, как пустое пространство, наделенное энергией, вполне может создать все, что мы видим, вместе с неимоверно огромной и плоской Вселенной, было бы лицемерным заявлять, что пустое пространство, наделенное энергией, которая движет инфляцией, – это ничто. Такая картина заставляет допустить, что пространство существует и способно запасать энергию, а затем, опираясь на законы физики, например на ОТО, рассчитать, что из этого следует. Так что, если бы мы на этом и остановились, читатель имел бы полное право заявить, что современная наука еще очень далека от подлинного ответа на вопрос, как получить нечто из ничего. Однако это лишь первый шаг. Мы будем все лучше понимать происходящее и на следующем этапе увидим, что инфляция лишь верхушка вселенского айсберга из ничего.
Глава 10
Нестабильность «ничего»
Да свершится правосудие, даже если рухнут небеса.
Существование энергии в пустом пространстве – открытие, которое сотрясло нашу космологическую вселенную, и идея, которая легла в основу инфляции, лишь подтверждают некую особенность квантового мира, уже давно прекрасно известную по результатам лабораторных экспериментов, о которых я уже писал. Пустое пространство – штука очень сложная. Это бурлящее варево из виртуальных частиц, которые то возникают, то исчезают так быстро, что мы не можем непосредственно их зарегистрировать.
Виртуальные частицы – это проявление фундаментального свойства квантовых систем. В самой основе квантовой механики лежит правило, которым руководствуются некоторые политики и генеральные директора: пока никто не видит, можно делать все что угодно. Системы проходят все возможные состояния, пусть и за кратчайший миг, в том числе и состояния, которые были бы недопустимы, если бы систему измеряли. Эти «квантовые флуктуации» – самая суть квантового мира: из ничего постоянно получается нечто, пусть и на мгновение.
Однако здесь есть одна загвоздка. Согласно закону сохранения энергии, квантовые системы могут шалить лишь до поры до времени. Они как проигрывающие брокеры на бирже: если в результате флуктуации система впадает в состояние, которое требует порции энергии из пустого пространства, она обязана вернуть эту энергию, причем поскорее, пока никакие наблюдатели не успели это зарегистрировать.
Как следствие, вы можете думать, что это «нечто», порожденное квантовой флуктуацией, эфемерно, его нельзя зарегистрировать, в отличие, скажем, от нас с вами или Земли, на которой мы живем. Однако и это эфемерное создание подвержено влиянию обстоятельств, которые связаны с тем, что мы нечто наблюдаем и измеряем. Рассмотрим, например, электрическое поле, которое создает заряженный объект. Оно, несомненно, реально. Можно ощутить силу статического электричества волос или пронаблюдать, как воздушный шарик прилипает к стене. Однако квантовая теория электромагнетизма говорит, что статическое поле появляется, потому что заряженные частицы, задействованные в его выработке, испускают виртуальные фотоны, полная энергия которых, в сущности, равна нулю. Поскольку энергия этих виртуальных частиц равна нулю, они могут распространяться по Вселенной, не исчезая, и поле, вызванное суперпозицией множества таких частиц, настолько реально, что его можно ощутить.