Несколько более глубоких вопросов, с которыми сталкиваются люди в разговорах и дискуссиях о космологии, касаются того, что происходило до большого взрыва и что спровоцировало его в первую очередь; другими словами, как нечто возникает из ничего.
Задавая эти вопросы, мы в настоящее время находимся на переднем крае науки, где-то на стыке космологии и философии.
В этой статье профессор Аластер Уилсон из Бирмингемского университета делится своим пониманием этого вопроса и отправляет нас в увлекательное путешествие.
“Последняя звезда будет медленно остывать и угасать. С ее уходом вселенная снова станет пустотой, без света, жизни и смысла”. Так предупреждал физик Брайан Кокс в недавнем сериале Би-би-си "Вселенная". Угасание этой последней звезды станет лишь началом бесконечно долгой, темной эпохи. Вся материя в конечном счете будет поглощена чудовищными черными дырами, которые, в свою очередь, испарятся, превратившись в самые тусклые проблески света. Пространство будет постоянно расширяться наружу до тех пор, пока даже этот тусклый свет не станет слишком рассеянным, чтобы взаимодействовать. Активность прекратится.
Как ни странно, некоторые космологи полагают, что предыдущая, холодная темная пустая вселенная, подобная той, которая предположительно ожидает нас в нашем далеком будущем, могла быть источником нашего собственного Большого взрыва.
Главный вопрос
Но прежде чем мы перейдем к этому вопросу, давайте взглянем на то, как впервые появилось “материальное” – физическая материя. Если мы стремимся объяснить происхождение стабильной материи, состоящей из атомов или молекул, то, безусловно, ничего этого не было ни во время Большого взрыва, ни в течение сотен тысяч лет после него. На самом деле у нас есть довольно подробное представление о том, как первые атомы образовались из более простых частиц, когда пространство остыло настолько, что сложная материя стала стабильной, и как эти атомы позже сплавились в более тяжелые элементы внутри звезд. Но это понимание не отвечает на вопрос о том, возникло ли что-то из ничего.
Итак, давайте вернемся еще дальше назад. Первыми долгоживущими частицами материи любого вида были протоны и нейтроны, которые вместе составляют атомное ядро. Они появились примерно через одну десятитысячную секунды после Большого взрыва. До этого момента на самом деле не существовало материи ни в каком привычном смысле этого слова. Но физика позволяет нам продолжать прослеживать временную шкалу в обратном направлении – к физическим процессам, которые предшествовали любой стабильной материи.
Это подводит нас к так называемой “великой объединенной эпохе”. К настоящему времени мы уже далеко продвинулись в области спекулятивной физики, поскольку в наших экспериментах мы не можем производить достаточно энергии, чтобы исследовать те процессы, которые происходили в то время. Но правдоподобная гипотеза состоит в том, что физический мир состоял из смеси короткоживущих элементарных частиц, включая кварки, строительные блоки протонов и нейтронов. Существовало как вещество, так и “антивещество” примерно в равных количествах: у каждого типа частиц материи, таких как кварк, есть спутник - “зеркальное отражение” антивещества, который почти идентичен самому себе, отличаясь только в одном аспекте. Однако материя и антивещество при встрече аннигилируют во вспышке энергии, что означает, что эти частицы постоянно создавались и уничтожались.
Но как эти частицы вообще появились на свет? Квантовая теория поля говорит нам, что даже вакуум, предположительно соответствующий пустому пространству-времени, полон физической активности в форме энергетических флуктуаций. Эти колебания могут привести к появлению частиц, которые выскакивают наружу только для того, чтобы вскоре исчезнуть. Это может звучать скорее как математическая причуда, чем как реальная физика, но такие частицы были обнаружены в бесчисленных экспериментах.
Состояние пространственно-временного вакуума бурлит от частиц, постоянно создаваемых и разрушаемых, по-видимому, “из ничего”. Но, возможно, все это на самом деле говорит нам о том, что квантовый вакуум - это (несмотря на его название) нечто, а не ничто. Философ Дэвид Альберт незабываемо раскритиковал описания Большого взрыва, которые обещают получить что-то из ничего таким образом.
Предположим, мы спросим: откуда возникло само пространство и время? Тогда мы сможем продолжить переводить стрелки часов еще дальше назад, в поистине древнюю “эпоху Планка” – период настолько ранний в истории Вселенной, что наши лучшие физические теории рушатся. Эта эра наступила всего через одну десятимиллионную триллионной триллионной триллионной триллионной доли секунды после Большого взрыва. В этот момент пространство и время сами стали подвержены квантовым флуктуациям. Физики обычно работают раздельно с квантовой механикой, которая управляет микромиром частиц, и с общей теорией относительности, которая применима в больших космических масштабах. Но чтобы по-настоящему понять эпоху Планка, нам нужна полная теория квантовой гравитации, объединяющая их.
У нас все еще нет совершенной теории квантовой гравитации, но есть теории – например, теория струн и петлевой квантовой гравитации. В этих теориях пространство и время рассматриваются как образования возникающие, подобно волнам на поверхности океана. То, что мы воспринимаем как пространство и время, является продуктом квантовых процессов, действующих на более глубоком, микроскопическом уровне, – процессов, которые не имеют особого смысла для нас, существ, укорененных в макроскопическом мире.
В эпоху Планка наше обычное понимание пространства и времени разрушается, поэтому мы больше не можем полагаться и на наше обычное понимание причины и следствия. Несмотря на это, все возможные теории квантовой гравитации описывают нечто физическое, что происходило в эпоху Планка, – некий квантовый предшественник обычного пространства и времени. Но откуда оно взялось?
Даже если причинно-следственная связь больше не применима каким-либо обычным образом, все равно было бы возможно объяснить один компонент вселенной эпохи Планка в терминах другого. К сожалению, к настоящему времени даже наша продвинутая физика полностью не в состоянии дать ответы. Пока мы не добьемся дальнейшего прогресса в создании “теории всего”, мы не сможем дать никакого окончательного ответа. Самое большее, что мы можем с уверенностью сказать на данном этапе, - это то, что физика до сих пор не нашла подтвержденных примеров возникновения чего-либо из ничего.
Циклы практически из ничего
Чтобы по-настоящему ответить на вопрос о том, как что-то могло возникнуть из ничего, нам нужно было бы объяснить квантовое состояние всей Вселенной в начале эпохи Планка. Все попытки сделать это остаются в высшей степени спекулятивными. Некоторые из них апеллируют к сверхъестественным силам. Но другие возможные объяснения остаются в области физики – такие, как мультивселенная, которая содержит бесконечное число параллельных вселенных, или циклические модели Вселенной, рождающейся и возрождающейся снова.
Лауреат Нобелевской премии по физике 2020 года Роджер Пенроуз предложил одну интригующую, но противоречивую модель циклической вселенной, получившую название “конформная циклическая космология”. Пенроуза вдохновила интересная математическая связь между очень горячим, плотным, малым состоянием Вселенной – каким она была во время Большого взрыва – и чрезвычайно холодным, пустым, расширенным состоянием Вселенной – каким она будет в далеком будущем. Его радикальная теория, объясняющая это соответствие, заключается в том, что эти состояния становятся математически идентичными, когда их доводят до предела. Каким бы парадоксальным это ни казалось, полное отсутствие материи могло бы привести к возникновению всей материи, которую мы видим вокруг себя в нашей вселенной.
С этой точки зрения, Большой взрыв возник почти из ничего. Это то, что остается, когда вся материя во Вселенной поглощается черными дырами, которые, в свою очередь, превращаются в фотоны, теряющиеся в пустоте. Таким образом, вся вселенная возникает из чего–то, что – если смотреть с другой физической точки зрения - настолько близко, насколько это вообще возможно, к ничему. Но это ничто все равно является своего рода чем-то. Это все еще физическая вселенная, какой бы пустой она ни была.
Как одно и то же состояние может быть холодной, пустой вселенной с одной точки зрения и горячей плотной вселенной с другой? Ответ кроется в сложной математической процедуре, называемой “конформное масштабирование”, геометрическое преобразование, которое фактически изменяет размер объекта, но оставляет его форму неизменной.
Пенроуз показал, как холодное пустое состояние и горячее плотное состояние могут быть связаны таким масштабированием, чтобы они совпадали по форме их пространственно–временных характеристик, но не по размерам. По общему признанию, трудно понять, как два объекта могут быть идентичными таким образом, когда они имеют разные размеры, но Пенроуз утверждает, что размер как понятие теряет смысл в таких экстремальных физических условиях.
В конформной циклической космологии направление объяснения идет от старого и холодного к молодому и горячему: горячее плотное состояние существует из-за холодного пустого состояния. В этих экстремальных состояниях перестает иметь значение не только размер, но и время. Холодное пустое состояние и горячее плотное состояние фактически расположены на разных временных линиях. Холодное пустое состояние продолжалось бы вечно с точки зрения наблюдателя в его собственной временной геометрии, но горячее плотное состояние, которое оно порождает, фактически само по себе обитает в новой временной шкале.
Это может помочь понять горячее плотное состояние как производное от холодного пустого состояния неким непричинным образом. Возможно, нам следует сказать, что горячее плотное состояние возникает из холодного, пустого состояния, или основывается на нем, или реализуется им. Это отчетливые метафизические идеи, которые широко исследовались философами науки, особенно в контексте квантовой гравитации, где обычные причина и следствие, по-видимому, нарушаются. На пределе наших знаний физику и философию становится трудно разделить.
Экспериментальные доказательства?
Конформная циклическая космология предлагает несколько подробных, хотя и спекулятивных, ответов на вопрос о том, откуда произошел наш Большой взрыв. Но даже если видение Пенроуза подтвердится будущим прогрессом космологии, мы могли бы подумать, что все равно не ответили бы на более глубокий философский вопрос – вопрос о том, откуда взялась сама физическая реальность. Как возникла вся эта система циклов? Тогда мы, наконец, подходим к чистому вопросу о том, почему существует что–то, а не ничто, - одному из величайших вопросов метафизики.
Наше внимание здесь сосредоточено на объяснениях, которые остаются в области физики. Есть три широких варианта ответа на более глубокий вопрос о том, как начались циклы. Этому вообще не могло быть никакого физического объяснения. Или же могут существовать бесконечно повторяющиеся циклы, каждый из которых сам по себе является вселенной, причем начальное квантовое состояние каждой вселенной объясняется какой-либо особенностью вселенной, существовавшей ранее. Или же мог существовать один-единственный цикл и одна-единственная повторяющаяся вселенная, причем начало этого цикла объяснялось какой-то особенностью его собственного конца. Последние два подхода позволяют избежать необходимости в каких–либо беспричинных событиях - и это придает им особую привлекательность. Физика ничего не оставила бы необъясненным.
Пенроуз предполагает последовательность бесконечных новых циклов по причинам, частично связанным с его собственной предпочтительной интерпретацией квантовой теории. В квантовой механике физическая система существует в суперпозиции множества различных состояний одновременно и выбирает только одно случайным образом, когда мы его измеряем. По мнению Пенроуза, каждый цикл, включает в себя случайные квантовые события, разворачивающиеся по-разному - это означает, что каждый цикл будет отличаться от тех, что были до и после него. На самом деле это хорошая новость для физиков-экспериментаторов, потому что это может позволить нам взглянуть на старую вселенную, которая породила нашу, через слабые следы, или аномалии, в остаточном излучении от Большого взрыва, наблюдаемом спутником Планка.
Пенроуз и его коллеги полагают, что они, возможно, уже заметили эти следы, приписывая закономерности в данных Планка излучению от сверхмассивных черных дыр в предыдущей вселенной. Однако заявленные ими наблюдения были оспорены другими физиками, которые остались при своем мнении.
Бесконечные новые циклы - ключ к собственному видению Пенроуза. Но есть естественный способ преобразовать конформную циклическую космологию из многоцикловой в одноцикловую форму. Тогда физическая реальность состоит в однократном циклическом движении от Большого взрыва к максимально пустому состоянию в далеком будущем – а затем снова к тому же самому Большому взрыву, порождающему ту же самую вселенную снова и снова.
Эта последняя возможность согласуется с другой интерпретацией квантовой механики, получившей название многомировой интерпретации. Многомировая интерпретация говорит нам, что каждый раз, когда мы измеряем систему, находящуюся в суперпозиции, это измерение не выбирает состояние случайным образом. Вместо этого результат измерения, который мы видим, является лишь одной из возможностей – той, которая реализуется в нашей собственной вселенной. Все остальные результаты измерений проявляются в других вселенных мультивселенной, фактически отрезанных от нашей собственной.
Таким образом, независимо от того, насколько мала вероятность того, что что-то произойдет, если у этого есть ненулевой шанс, то это происходит в каком-то квантовом параллельном мире. В других мирах есть такие же люди, как вы, которые выиграли в лотерею, или были унесены в облака причудливым тайфуном, или спонтанно воспламенились, или сделали все три вещи одновременно.
Некоторые люди полагают, что такие параллельные вселенные также могут наблюдаться в космологических данных как отпечатки, вызванные столкновением другой вселенной с нашей.
Квантовая теория параллельных миров дает новый взгляд на конформную циклическую космологию, хотя Пенроуз с этим и не согласен. Наш Большой взрыв может быть возрождением одной-единственной квантовой мультивселенной, содержащей бесконечно много различных вселенных, возникающих одновременно. Случается все возможное – затем это происходит снова, и снова, и снова.
Древний миф
Для философов науки, видение Пенроуза прекрасно. Это открывает новые возможности для объяснения Большого взрыва, выводя наши объяснения за рамки обычных причин и следствий. Таким образом, это отличный тестовый пример для изучения различных способов, которыми физика может объяснить наш мир.
Для любителей мифологии видение Пенроуза завораживает. В предпочитаемой Пенроузом многоцикловой форме бытия оно обещает бесконечные новые миры, рожденные из пепла их предков. Это поразительное современное повторение древней идеи об Уроборосе, или мировом змее пожирающем свой собственный хвост, создавая круг бесконечности поддерживающий равновесие в мире. Миф об Уроборосе был задокументирован еще в Древнем Египте.
Уроборос в единой циклической вселенной поистине величествен. Он содержит в своем чреве нашу собственную вселенную, а также все странные и чудесные альтернативные возможные вселенные, допускаемые квантовой физикой, – и в точке, где его голова встречается с хвостом, он совершенно пуст, но в то же время наполнен энергией при температурах в сто тысяч миллионов миллиардов триллионов градусов Цельсия.
#большойвзрыв #вселенная #космос
Если вам понравился материал - Не забудьте поставить лайк и подписаться на канал.
