Вся материя, которую мы измеряем сегодня, возникла в результате горячего Большого взрыва. Но даже до этого, и в далёком будущем, она никогда не будет пустой.
Когда речь идёт о физической Вселенной, понятие «ничто» может быть по-настоящему возможным только в теории, но не на практике. Сегодняшняя Вселенная кажется нам наполненной множеством вещей: материей, излучением, антиматерией, нейтрино и даже тёмной материей и тёмной энергией, несмотря на то, что мы не знаем истинной, фундаментальной природы последних двух. Однако даже если убрать каждый квант энергии, каким-то образом полностью изгнав её из Вселенной, она не останется пустой. Сколько бы вы из неё ни изымали, Вселенная всегда будет генерировать новые формы энергии.
Как это возможно? Как будто сама Вселенная совершенно не понимает нашу идею «ничего»; если бы мы удалили из неё все кванты энергии, оставив только пустое пространство, мы бы сразу же ожидали, что Вселенная будет находиться на уровне абсолютного нуля: без каких-либо частиц энергии. Но это совсем не так. Как бы мы искусственно ни делали расширяющуюся Вселенную «пустой», сам факт её расширения всё равно спонтанно и неизбежно порождал бы излучение. Даже в сколь угодно далёком будущем или до самого Большого взрыва Вселенная никогда не была бы по-настоящему пустой. Вот научное объяснение этого.
Сегодня в нашей Вселенной совершенно очевидно, что пространство вовсе не пустое. Куда ни глянь, мы видим:
- звезды,
- газ,
- пыль,
- другие галактики,
- скопления галактик,
- квазары,
- высокоэнергетические космические частицы (известные как космические лучи),
- и излучение, как от звездного света, так и оставшееся после самого Большого взрыва.
Если бы у нас были более совершенные «глаза», то есть более совершенные инструменты, мы могли бы также обнаружить сигналы, которые, как мы знаем, должны быть где-то там, но которые невозможно обнаружить с помощью современных технологий. Мы бы увидели гравитационные волны от каждой массы, ускоряющейся в изменяющемся гравитационном поле. Мы бы «увидели» то, что отвечает за тёмную материю, а не только её гравитационные эффекты. И мы бы увидели чёрные дыры, как активные, так и покоящиеся, а не только те, которые испускают наибольшее количество излучения.
Всё, что мы видим, происходит не просто в статической Вселенной, а во Вселенной, которая развивается с течением времени. С физической точки зрения особенно интересно то, как развивается наша Вселенная. В глобальном масштабе ткань нашей Вселенной — пространство-время — находится в процессе расширения, то есть если вы поместите в своё пространство-время любые две удалённые друг от друга «точки», вы обнаружите, что:
- правильное расстояние (измеренное наблюдателем в одной из точек) между этими точками,
- время прохождения света между этими точками,
- и длина волны света, проходящего из одной точки в другую,
Всё это будет увеличиваться со временем. Вселенная не только расширяется, но и одновременно охлаждается в результате расширения. По мере того, как свет смещается в сторону более длинных волн, он также смещается в сторону более низких энергий и более низких температур; Вселенная была горячее в прошлом и станет ещё холоднее в будущем. И всё это время объекты, обладающие массой и/или энергией во Вселенной, притягиваются, скапливаясь и скапливаясь, образуя огромную космическую паутину.
Если бы можно было каким-то образом устранить все это — всю материю, все излучение, каждый отдельный квант энергии — что бы осталось?
В каком-то смысле, у нас было бы просто пустое пространство: продолжающее расширяться, по-прежнему подчиняющееся законам физики и по-прежнему неспособное вырваться из квантовых полей, пронизывающих Вселенную. Это максимально близкое физическое состояние к истинному «ничто», и тем не менее, у него всё ещё есть физические законы, которым оно должно подчиняться. Для физика, живущего в этой Вселенной, удаление чего-либо ещё создаст нефизическое состояние, которое больше не описывает космос, в котором мы живём.
Это означает, в частности, что то, что мы сегодня воспринимаем как «тёмную энергию», всё ещё существовало бы в этой «Вселенной ничего», которую мы воображаем. Теоретически, можно взять каждое квантовое поле во Вселенной и поместить его в конфигурацию с наименьшей энергией. Если это сделать, то можно достичь того, что мы называем «нулевой энергией» пространства, что означает, что из него больше нельзя будет извлечь энергию и использовать для выполнения какой-либо механической работы. Во Вселенной с тёмной энергией, космологической постоянной или нулевой энергией квантовых полей, нет оснований делать вывод, что нулевая энергия фактически будет равна нулю.
В нашей Вселенной, по наблюдениям, она имеет конечное, но положительное значение: значение, соответствующее плотности энергии около ~1 ГэВ (примерно энергии покоя протона) на кубический метр пространства. Конечно, это чрезвычайно малое количество энергии. Если взять энергию, присущую одному человеческому телу — в основном, из массы ваших атомов — и распределить её так, чтобы получить ту же плотность энергии, что и нулевая энергия пространства, то окажется, что вы занимаете столько же пространства, сколько сфера объёмом примерно равна Солнцу!
В очень далёком будущем, через гуголы лет, Вселенная будет вести себя так, как будто эта нулевая энергия — единственное, что в ней осталось. Все звёзды сгорят; их останки излучат всё своё тепло и остынут до абсолютного нуля; звёздные остатки будут гравитационно взаимодействовать, выбрасывая большую часть объектов в межгалактическое пространство, в то время как немногие оставшиеся чёрные дыры вырастут до огромных размеров. В конце концов, даже они распадутся под действием излучения Хокинга, и вот тут-то история становится по-настоящему интересной.
Идея распада чёрных дыр может по праву считаться важнейшим вкладом Стивена Хокинга в науку, но она содержит в себе ряд важных уроков, выходящих далеко за рамки чёрных дыр. У чёрных дыр есть так называемый горизонт событий: область, где, как только что-либо из нашей Вселенной пересекает эту воображаемую поверхность, мы больше не можем получать сигналы от неё. Обычно мы представляем себе чёрные дыры как объём внутри горизонта событий: область, из которой ничто, даже свет, не может вырваться. Но если дать этому достаточно времени, эти чёрные дыры полностью испарятся.
Почему эти чёрные дыры испаряются? Потому что они излучают энергию, которая черпается из массы чёрной дыры, преобразуя массу в энергию согласно эйнштейновскому уравнению E = mc² . Вблизи горизонта событий пространство искривлено сильнее; чем дальше от горизонта событий, тем меньше. Эта разница в кривизне соответствует разногласиям относительно того, чему равна энергия нулевой точки пространства. Тот, кто находится близко к горизонту событий, увидит, что его «пустое пространство» отличается от «пустого пространства» того, кто находится дальше, и это проблема, поскольку квантовые поля, по крайней мере, как мы их понимаем, непрерывны и занимают всё пространство.
Главное, что нужно понимать, — это то, что если вы находитесь в любой точке за пределами горизонта событий, существует как минимум один возможный путь, по которому свет может попасть в любую другую точку, также находящуюся за пределами горизонта событий. Разница в нулевой энергии пространства между этими двумя точками, как впервые было установлено в работе Хокинга 1974 года , говорит нам о том, что излучение будет исходить из области вокруг чёрной дыры, где пространство искривлено сильнее всего.
Наличие горизонта событий у черной дыры является важной особенностью, поскольку это означает, что энергия, необходимая для создания излучения вокруг этой черной дыры, должна исходить из массы самой черной дыры (согласно формуле Эйнштейна E = mc² ). (Хотя некоторые убедительно доказывают, что возможно создание этого излучения без горизонта событий .) Кроме того, спектр излучения представляет собой спектр абсолютно черного тела, температура которого определяется массой черной дыры: меньшие массы горячее, а более тяжелые массы холоднее.
Расширяющаяся Вселенная, конечно, не имеет горизонта событий, поскольку она не является чёрной дырой. Однако у неё есть нечто аналогичное: космический горизонт. Если вы находитесь в любой точке пространства-времени и рассматриваете наблюдателя в другой точке пространства-времени, вы сразу же подумаете: «О, должен быть хотя бы один возможный путь света, соединяющий меня с этим другим наблюдателем». Но в расширяющейся Вселенной это не обязательно так. Вы должны находиться достаточно близко друг к другу, чтобы расширение пространства-времени между этими двумя точками не препятствовало испущенному свету достичь своей цели.
В нашей современной Вселенной это соответствует расстоянию приблизительно в 18 миллиардов световых лет. Если бы мы излучили свет прямо сейчас, любой наблюдатель в пределах 18 миллиардов световых лет от нас в конечном итоге смог бы его принять; любой, кто находится дальше, никогда не сможет из-за продолжающегося расширения Вселенной. Мы можем видеть дальше этого, потому что многие источники света были испущены давным-давно. Самый ранний свет, который приходит прямо сейчас, спустя 13,8 миллиарда лет после Большого взрыва, исходит из точки, которая в настоящее время находится примерно в 46 миллиардах световых лет от нас. Если бы мы были готовы ждать вечность, мы в конечном итоге получили бы свет от объектов, которые в настоящее время находятся на расстоянии примерно 61 миллиарда световых лет; это предел.
С точки зрения любого наблюдателя существует космологический горизонт : точка, за пределами которой общение невозможно, поскольку расширение пространства не позволит наблюдателям в этих местах обмениваться сигналами после определенного момента времени.
И точно так же, как существование горизонта событий чёрной дыры приводит к возникновению излучения Хокинга, существование космологического горизонта также должно — если соблюдаются те же законы физики — порождать излучение. В этом случае прогнозируется, что Вселенная будет заполнена чрезвычайно низкоэнергетическим излучением, длина волны которого в среднем сопоставима с размером космического горизонта. Это соответствует температуре ~10^-30 К: на тридцать порядков слабее современного реликтового излучения.
Поскольку Вселенная продолжает расширяться и остывать, в далеком будущем наступит время, когда это излучение станет доминирующим над всеми другими формами материи и излучения во Вселенной; только темная энергия останется более доминирующим компонентом.
Но во Вселенной есть и другой период — не в будущем, а в далёком прошлом, — когда во Вселенной также доминировало нечто иное, нежели материя и излучение: период космической инфляции. До того, как произошёл горячий Большой взрыв, наша Вселенная расширялась с колоссальной и неумолимой скоростью. Вместо того, чтобы доминировать над материей и излучением, в нашем космосе доминировала энергия поля инфляции: точно так же, как сегодняшняя тёмная энергия, но на много порядков превосходящая её по мощности и скорости расширения.
Хотя инфляция растягивает Вселенную и раздвигает все ранее существовавшие частицы, это не обязательно означает, что температура в короткие сроки приблизится к абсолютному нулю и асимптотически достигнет его. Напротив, это излучение, вызванное расширением, вследствие существования космологического горизонта, должно достигать пика в инфракрасном диапазоне, соответствующем температуре около ~100 К, что достаточно для кипения жидкого азота.
Это означает, что если бы вы когда-либо захотели охладить Вселенную до абсолютного нуля, вам пришлось бы полностью остановить ее расширение. Пока сама ткань пространства имеет ненулевое количество присущей ей энергии, она будет расширяться. Пока Вселенная неустанно расширяется, будут существовать области, разделенные столь большим расстоянием, что свет, независимо от того, как долго мы ждем, не сможет достичь одной такой области из другой. И пока определенные области будут недостижимы, у нас будет космологический горизонт в нашей Вселенной и ванна теплового низкоэнергетического излучения, от которого невозможно избавиться. Что еще предстоит определить, так это то, приведет ли эта форма космического излучения, подобно тому, как излучение Хокинга означает, что черные дыры в конечном итоге испарятся, к распаду темной энергии нашей Вселенной.
Как бы ясно вы ни представляли себе пустую Вселенную, в которой ничего нет, эта картина просто не соответствует реальности. Одного лишь утверждения о справедливости законов физики достаточно, чтобы покончить с представлением о действительно пустой Вселенной. Пока в ней существует энергия — даже нулевой энергии квантового вакуума достаточно, — всегда будет существовать какая-то форма излучения, от которой невозможно избавиться. Вселенная никогда не была полностью пустой, и пока тёмная энергия не распадётся полностью, она никогда таковой не будет.