Иногда условия таковы, что из пустого пространства безнаказанно возникают самые настоящие массивные частицы. Например, когда две заряженные пластины подносят друг к другу и электрическое поле между ними становится достаточно сильным, в нем складываются нужные энергетические условия для возникновения из вакуума реальной пары «частица – античастица», причем отрицательный заряд движется к положительно заряженной пластине, а положительный – к отрицательной. При этом возможно, что уменьшение энергии, вызванное уменьшением общего заряда на каждой пластине, а следовательно, и электрического поля между ними, окажется больше, чем энергия, связанная с энергией массы покоя, необходимой для рождения двух реальных частиц. Конечно, для создания таких условий сила поля должна быть очень велика.

На свете есть места, где подобное явление возможно благодаря сильным полям другого рода – не электрическим, а гравитационным. Эта мысль в 1974 г. сделала Стивена Хокинга известным среди физиков: он показал, что черные дыры, вырваться из которых невозможно, по крайней мере если исключить соображения квантовой механики, на самом деле способны испускать физические частицы.

Есть разные способы понять это явление, и один из них поразительно напоминает наш эксперимент с электрическими полями. Вне ядра черной дыры расположен радиус, называемый горизонтом событий. Ни один предмет, который находится внутри горизонта событий, согласно классическим представлениям, не может вырваться за его пределы, поскольку скорость, необходимая для этого, превосходит скорость света. Таким образом, выйти за горизонт событий не сумеет даже свет, излученный внутри этой области.

А теперь представьте себе пару из частицы и античастицы, которая возникает из пустого пространства у самого горизонта событий в результате местной квантовой флуктуации. Если одна из частиц находится внутри горизонта событий, то может так сложиться, что с падением в черную дыру она потеряет столько гравитационной энергии, что эта энергия вдвое превзойдет массу покоя каждой из частиц. Это значит, что частица-партнер может улететь в бесконечность и стать наблюдаемой безо всякого нарушения закона сохранения энергии. Общая положительная энергия, связанная с излученной частицей, с лихвой компенсируется потерей энергии у частицы-партнера, упавшей в черную дыру. Поэтому черные дыры могут излучать частицы.

Но на самом деле все еще интереснее, и именно потому, что энергия, потерянная падающей в черную дыру частицей, оказывается больше, чем положительная энергия, связанная с ее массой покоя. В результате, когда частица падает в черную дыру, общая энергия системы, состоящей из черной дыры и частицы, оказывается меньше, чем до того, как частица упала за горизонт событий! Поэтому черная дыра после падения в нее частицы становится легче на величину, эквивалентную энергии, которую унесла с собой излученная частица. В конце концов черная дыра может совсем испариться. Пока что мы не знаем этого точно, поскольку физические процессы на финальных стадиях испарения черной дыры происходят на таких маленьких масштабах, что при помощи одной только ОТО получить окончательный ответ невозможно. На таких масштабах к гравитации надо относиться как к полностью квантово-механической теории, и нашего нынешнего понимания ОТО не хватает, чтобы в точности разобраться, что же тогда будет.

Тем не менее все эти явления указывают, что при удачном стечении обстоятельств нечто из ничего не просто может появиться – оно обязательно появляется.

Яркий пример из области космологии, показывающий, что «ничего» может быть нестабильным и формировать нечто, – это попытки разобраться, почему мы живем во Вселенной из вещества.

Пожалуй, это не тот вопрос, которым задаешься, едва открыв глаза поутру, однако то, что во Вселенной есть вещество, само по себе очень примечательно. А особенно примечательно, что, насколько мы можем судить, в нашей Вселенной не слишком-то много антивещества, а вы, наверное, помните, что его существования требуют квантовая механика и теория относительности: для каждой частицы, известной нам в природе, может существовать эквивалентная античастица с той же массой и противоположным зарядом. Логично считать, что любая «нормальная» Вселенная изначально должна содержать равное количество частиц и античастиц. Ведь античастицы всех обычных частиц обладают той же массой и прочими свойствами, поэтому, если на ранних стадиях существования Вселенной были созданы частицы, появиться античастицам было бы ничуть не труднее.

Мы также можем представить себе Вселенную из антивещества, где все частицы, из которых состоят звезды и галактики, замещены соответствующими античастицами. Такая Вселенная будет выглядеть почти так же, как и та, где живем мы с вами. Наблюдатели в такой Вселенной (тоже состоящие из антивещества), несомненно, называли бы веществом то, что мы называем антивеществом. Назвать-то можно как угодно.

Однако если наша Вселенная началась «нормально», с равными количествами вещества и антивещества, и такой бы и оставалась, некому было бы задавать вопросы «почему?» и «как?». Дело в том, что все частицы вещества аннигилировали бы со всеми частицами антивещества еще в самом начале существования Вселенной и не осталось бы ничего, кроме чистого излучения. Не было бы ни вещества, ни антивещества, чтобы сформировать из того или другого звезды или галактики, а также возлюбленных и антивозлюбленных, которые романтически любовались бы ночным небом, заключив друг друга в объятия. Никаких событий! История состояла бы из пустоты – одно лишь излучение, которое медленно остывало бы, и в конце концов получилась холодная, темная, скучная Вселенная и Ничто единолично воцарилось бы в ней.

Но в 1970-х гг. ученые стали догадываться, что можно начать с равного количества вещества и антивещества в момент Большого взрыва, когда все было очень горячее и плотное, а затем, опираясь на вполне вероятные квантовые процессы, «создать нечто из ничего»: для этого нужна всего лишь крошечная асимметрия, надо, чтобы вещества в самом начале Вселенной было чуть-чуть больше, чем антивещества. Тогда вместо полной аннигиляции вещества и антивещества, не оставляющей в наши дни во Вселенной ничего, кроме чистого излучения, все антивещество, доступное на ранних этапах существования Вселенной, аннигилировало с веществом, но крошечный избыток вещества остался бы, поскольку ему уже не с чем было бы аннигилировать. Из этого уцелевшего вещества и состоят звезды и галактики, наблюдаемые в сегодняшней Вселенной.

В результате то, что в иных обстоятельствах показалось бы скромным достижением (появление минимальной асимметрии в ранние времена), можно считать чуть ли не моментом сотворения мира. Потому что, если уж возникла асимметрия вещества и антивещества, она уже никуда не денется. А значит, именно тогда и было заложено будущее Вселенной, полной звезд и галактик.

Частицы антивещества аннигилировали в первые мгновения существования Вселенной с частицами вещества, а остаток частиц вещества сохранился до наших дней и определил характер видимой Вселенной, которую мы знаем, любим и населяем. Даже если бы перевес составлял всего одну миллиардную долю, и то осталось бы достаточно вещества, чтобы обеспечить все, что мы видим сегодня во Вселенной. Более того, и нужен был перевес в одну миллиардную или около того, поскольку сегодня на каждый протон во Вселенной приходится около миллиарда фотонов реликтового излучения. В таком сценарии эти фотоны как раз и остались после аннигиляции вещества и антивещества в начале времен.

Полностью описать, как проходил этот процесс на ранних этапах существования Вселенной, мы пока не можем, поскольку еще не сумели полностью – эмпирическим путем – разобраться в природе микрофизического мира на масштабах, на которых, скорее всего, появилась эта асимметрия. Тем не менее было исследовано множество разных вероятных сценариев, и основаны эти сценарии на самых точных на данный момент представлениях о физике на подобных масштабах. Отличаются они лишь в деталях, общие характеристики у них одни и те же. Квантовые процессы, связанные с элементарными частицами в жаркой изначальной бане, неизбежно и почти неощутимо подталкивают пустую Вселенную (или, что эквивалентно, Вселенную, где поначалу вещества и антивещества поровну) к Вселенной, где будет преобладать либо вещество, либо антивещество.

Но если были оба этих пути, можно ли считать, что в нашей Вселенной вещество преобладает по чистой случайности? Представьте себе, что вы стоите на вершине высокой горы и вдруг падаете. То, в каком направлении вы упадете, не предопределено, это случайность, все зависит от того, в какую сторону вы смотрели или какой ногой оступились. Не исключено, что с нашей Вселенной именно так и получилось, и, даже если законы физики незыблемы, направление, в котором качнулось равновесие между веществом и антивеществом, определилось каким-то случайным стечением первоначальных обстоятельств (как и в случае падения с горы: закон всемирного тяготения незыблем и определяет сам факт вашего падения, однако направление, в котором вы покатитесь, случайно). В таком случае и мы с вами существуем по чистой случайности.

Однако независимо от этой неопределенности следует особо отметить, что у базовых законов физики есть черта, которая позволяет квантово-механическим процессам увести Вселенную от безликого состояния. Физик-теоретик Фрэнк Вильчек – один из первых, кто над этим задумался, – напомнил мне, что чуть ли не теми же самыми словами, что и я на предыдущих страницах, он рассказал об асимметрии вещества и антивещества во Вселенной в своей статье в журнале Scientific American еще в 1980 г. Опираясь на последние достижения физики элементарных частиц, он описал, как именно асимметрия вещества и антивещества могла возникнуть на ранних этапах существования Вселенной, и добавил, что это позволяет подойти к ответу на вопрос, почему на свете все-таки есть нечто: «ничто» нестабильно.

Фрэнк подчеркивал, что наблюдаемый избыток вещества во Вселенной на первый взгляд мешает представить себе Вселенную, которая могла бы возникнуть из нестабильности в пустом пространстве, когда «ничто» породило Большой взрыв. Но если асимметрия возникла динамически уже после Большого взрыва, это препятствие удается обойти. Вот как он пишет:

Прежде чем двигаться дальше, признаюсь, что мне напомнили и о том, как похож мой рассказ об асимметрии вещества-антивещества на диспуты, которые мы вели на семинаре Origins по поводу современных представлений о природе жизни во Вселенной и ее происхождения. Выражался я несколько иначе, но основные пункты на удивление похожи: какой конкретно физический процесс в первые мгновения истории Земли мог привести к возникновению первой самовоспроизводящейся биомолекулы и обмена веществ? За последние годы молекулярная биология добилась поразительного прогресса, сопоставимого с прогрессом в физике в 1970-е гг. В частности, мы узнали, какие природные цепочки органических реакций могли бы при вполне возможных в естественной среде условиях привести к возникновению рибонуклеиновых кислот, которые давно считаются предвестниками нашего мира, основанного на ДНК. До недавних пор господствовало представление, что прямого пути быть не могло и что главную роль в этом переходе должны были играть какие-то промежуточные формы.

Сегодня лишь немногие биохимики и молекулярные биологи сомневаются в том, что жизнь может возникнуть естественным образом из не-жизни, хотя как именно, еще предстоит открыть. Однако, когда мы все это обсуждали, во всех наших дискуссиях прослеживался общий подтекст: обязательно ли у первой жизни, возникшей на Земле, должна была быть именно такая биохимия или возможны и другие, столь же осуществимые варианты?