«Всё из ничего: как возникла Вселенная»
Откуда взялась Вселенная? Что было до нее? Чего ждать в будущем? Физик Лоуренс Краусс предпринимает попытку доступно ответить на эти вопросы. Его новая книга «Всё из ничего: Как возникла Вселенная» выходит в издательстве «Альпина Нон-фикшн». По этому поводу N + 1 предлагает своим читателям ознакомиться с отрывком из нее, в котором Краусс объясняет, почему в далеком будущем нашу галактику окружит пустое и неизменное пространство, а ученые не найдут никаких следов расширения Вселенной.
Наше печальное будущее
В каком-то смысле обнаружить, что живешь во Вселенной, где всем правит ничто, интересно и восхитительно. Структуры, которые мы видим, вроде звезд и галактик, возникли из ничего в результате квантовых флуктуаций. В среднем полная ньютоновская гравитационная энергия каждого объекта во Вселенной равна — ничему. Наслаждайтесь этой мыслью, пока есть возможность, поскольку, если все это правда, мы живем чуть ли не в самой худшей из вселенных, по крайней мере с точки зрения будущего всех живых организмов.
Вспомним, что всего 100 лет назад Эйнштейн разработал ОТО. Тогда все считали, что наша Вселенная неизменна и вечна. Более того, Эйнштейн не просто высмеял Леметра за предположение о Большом взрыве, но даже выдумал космологическую постоянную, лишь бы сохранить стационарную модель Вселенной.
Сейчас, по прошествии века, мы, ученые, можем гордиться, что открыли столько фундаментального — и расширение Вселенной, и реликтовое излучение, и темное вещество, и темную энергию.
Но что таит в себе будущее?
А будущее наше очень поэтично. Если можно так выразиться.
Вспомним: вывод о том, что в расширении нашей Вселенной доминирует энергия пустого на первый взгляд пространства, делается на основании того факта, что расширение происходит с ускорением. И, как и ранее обстояло с инфляцией и как описано в предыдущей главе, наша наблюдаемая Вселенная стоит на пороге расширения со скоростью больше скорости света. А со временем из-за расширения с ускорением все станет только хуже.
Это означает, что чем дольше мы будем ждать, тем меньше сможем видеть. Галактики, которые мы видим сейчас, в один прекрасный день начнут удалятся от нас со сверхсветовой скоростью, а это значит, что они станут для нас невидимыми: свет, который они испускают, не сможет преодолеть расширяющееся пространство и никогда до нас не долетит. Эти галактики исчезнут с нашего горизонта.
Произойдет это не совсем так, как вы, возможно, себе представляете. Галактики не то чтобы вдруг погаснут и вмиг исчезнут с ночного неба. Просто по мере приближения скорости их удаления к скорости света будет увеличиваться красное смещение. В конце концов весь видимый свет от них сдвинется в инфракрасное, микроволновое, затем радиоизлучение и так далее до тех пор, пока длина волны света, который они испускают, не станет больше размера видимой Вселенной, и в этот момент их можно будет официально признать невидимыми.
Можно посчитать, сколько времени это займет. Поскольку галактики в нашем скоплении связаны взаимным гравитационным притяжением, они не удаляются от нас в связи с фоновым расширением Вселенной, которое открыл Хаббл.
Галактики за пределами нашей группы находятся примерно на 1/5000 расстояния до той точки, где скорость удаления объектов приближается к световой. Чтобы туда добраться, у них уйдет около 150 млрд лет, примерно в 10 раз больше нынешнего возраста Вселенной, и тогда весь свет от звезд в этих галактиках сдвинется в красную сторону примерно в 5000 раз. Примерно через 2 трлн лет их свет сдвинется в красную сторону настолько, что длина его волны станет равна размеру видимой Вселенной — и вся остальная часть Вселенной буквально исчезнет.
Казалось бы, 2 трлн лет — большой срок. Так и есть. Однако с космической точки зрения это отнюдь не вечность. Самые долгоживущие звезды главной последовательности (у которых такая же эволюционная история, как и у нашего Солнца) проживут гораздо дольше Солнца и через 2 трлн лет будут еще вовсю светить (в то время как наше Солнце погибнет всего через 5 млрд лет). Так что в отдаленном будущем на планетах вокруг этих звезд вполне могут быть цивилизации, черпающие энергию от своих светил, с водой и органическими соединениями.
И астрономы с телескопами тоже вполне могут быть. Посмотрят они в космос — а там все, что мы видим сейчас, все 400 млрд галактик, составляющих на сегодня нашу видимую Вселенную, возьмут и исчезнут!
Я пытался донести этот довод до Конгресса, чтобы убедить его увеличить финансирование космологических исследований прямо сейчас, пока у нас еще есть время наблюдать все это. Однако для конгрессмена даже два года — долгий срок, а уж на 2 трлн лет вперед он заглянуть просто не в состоянии.
Так или иначе астрономов далекого будущего ждал бы большой сюрприз, если бы только они знали, что теряют. Но этого они знать не будут. Как несколько лет назад выяснили мы с коллегой Робертом Шеррером из Университета Вандербильта, исчезнет не только вся остальная Вселенная — по существу, исчезнут и все свидетельства, которые говорят нам сегодня, что мы живем в расширяющейся Вселенной, начавшейся с Большого взрыва, вместе со всеми свидетельствами существования в пустом пространстве темной энергии, которую можно было бы обвинить в этой пропаже.
А ведь не прошло и 100 лет с тех пор, когда все считали, что Вселенная неизменна и вечна, то есть звезды и планеты появляются и исчезают, но на больших масштабах Вселенная остается как была. Получается, что в далеком будущем, когда от нашей планеты и цивилизации, скорее всего, не останется даже праха на свалке истории, иллюзия, которую наша цивилизация разделяла до 1930-х гг., вернется и отомстит за себя сторицей.
К эмпирическому доказательству Большого взрыва привели три основные вехи — три наблюдения, благодаря которым, даже если бы на свете не было ни Эйнштейна, ни Леметра, нам все равно волей-неволей пришлось бы признать, что Вселенная в самом начале была плотной и горячей. Это наблюдения расширения Вселенной, которые проделал Хаббл; это наблюдения космического микроволнового фона; это соответствие наблюдаемой распространенности во Вселенной легких элементов — водорода, гелия и лития — тем количествам, которые должны были возникнуть в первые несколько минут истории Вселенной.
Начнем с хаббловского расширения Вселенной. Откуда мы знаем, что Вселенная расширяется? Мы измерили скорость удаления далеких объектов в зависимости от расстояния до них. Но, когда все видимые объекты вне нашего галактического скопления (в котором все мы связаны узами гравитации) исчезнут за горизонтом, не останется никаких следов расширения, которые наблюдатели могли бы зарегистрировать, — ни звезд, ни галактик, ни квазаров, ни даже огромных газовых облаков. Расширение достигнет таких масштабов, что вынесет из нашего поля зрения все объекты, которые от нас удаляются.
Более того, на масштабе менее 1 трлн лет все галактики в нашей местной группе слипнутся в своего рода огромную сверхгалактику. Наблюдатели в далеком будущем увидят примерно то же самое, что мы могли увидеть в 1915 г.: одну-единственную галактику, в которой находится их звезда и их планета, окруженную обширным пустым и неизменным пространством.
Напомню также, что все свидетельства того, что пустое пространство обладает энергией, мы получаем из наблюдений темпа, с которым ускоряется расширение нашей Вселенной.
А без признаков расширения понять, что оно еще и ускоряется, будет невозможно. Вообще-то по странному совпадению мы живем в ту единственную эпоху истории Вселенной, когда наличие темной энергии, наполняющей пустое пространство, в принципе довольно легко зарегистрировать. Конечно, эта эпоха длится несколько сотен миллиардов лет, но в вечно расширяющейся Вселенной это всего лишь мгновение космического ока.
Если мы предположим, что энергия пустого пространства относительно постоянна, как было бы в случае космологической постоянной, то в гораздо более ранние времена плотность энергии вещества и излучения значительно превосходила бы плотность энергии пустого пространства — просто потому, что при расширении Вселенной плотность вещества и излучения снижается, поскольку растет расстояние между частицами, поэтому в заданном объеме остается меньше объектов. В более ранние времена, скажем 5–10 млрд лет назад, плотность вещества и излучения была гораздо больше, чем сегодня. Поэтому во Вселенной тогда и раньше преобладали вещество и излучение со своим гравитационным притяжением.
Расширение Вселенной в те ранние времена замедлялось, а гравитационное воздействие энергии пустого пространства невозможно было бы зарегистрировать.
По тем же соображением в далеком будущем, когда Вселенной исполнится несколько сотен миллиардов лет, плотность вещества и излучения станет еще меньше, и можно подсчитать, что средняя плотность темной энергии будет превосходить плотность всего оставшегося во Вселенной вещества и излучения намного более, чем в тысячу миллиардов раз. К этому времени она будет полностью управлять гравитационной динамикой Вселенной на больших масштабах. Однако в эту позднюю эпоху ускоренное расширение Вселенной станет невозможно пронаблюдать. В этом смысле энергия пустого пространства по самой своей природе обеспечивает определенный, конечный отрезок времени, в который его можно наблюдать, и мы, что примечательно, живем именно в этот космологический момент.
Подробнее читайте:
Краусс, Лоуренс. Всё из ничего: Как возникла Вселенная / Лоуренс Краусс ; Пер.
с англ. [Анастасия Бродоцкая и Наталья Лисова, под научной редакцией Игоря Лисова] — М.: Альпина нон-фикшн, 2019. — 283 с.
как возникла Вселенная и какое будущее нас ожидает — T&P
В 1926 году ученые поняли, что наша Галактика — не единственная во Вселенной, а спустя еще несколько лет Вселенная вдруг перестала быть статичной и вечной: оказалось, что она расширяется. Но какое будущее в таком случае ее ожидает? Возможно ли, что Вселенная возникла просто так из ничего? О том, к каким выводам пришла современная наука, рассказал известный американский ученый, физик и специалист в области космологии Лоуренс Краусс. T&P сделали конспект его лекции.
Лоуренс Краусс
Американский физик, специалист в области астрофизики и космологии
Какой формы Вселенная?
Сегодня с помощью телескопа «Хаббл» мы можем увидеть более 100 миллиардов галактик, и в каждой из них, возможно, сотни миллиардов звезд. Но как все это возникло? Почему есть нечто, а не ничто? Это основной вопрос для многих религий.
Кажется, что такую огромную Вселенную кто-то должен был создать, что нельзя все это получить из ничего. Я хочу рассказать, почему это не так, почему все эти галактики и звезды могут возникнуть просто благодаря законам физики.
В 1926 году Эдвин Хаббл узнал, что наша Галактика — не единственная во Вселенной. А спустя еще три года он понял, что другие галактики отдаляются от нас. После этого поразительного открытия сразу стало казаться, что мы в центре Вселенной. Однако наблюдения Хаббла говорят о другом: Вселенная расширяется — неважно, из какой галактики вы за этим наблюдаете.
До 1929 года наука считала, что Вселенная статична и вечна. Но коль скоро теперь мы поняли, что она движется, то мы можем узнать, что было с ней в прошлом. У всех галактик единое начало: около 13,8 миллиарда лет назад все они были в одной точке, которую мы называем Большим взрывом. Но что станет с галактиками в будущем? Бесконечно ли расширение? Это вопрос, из-за которого я начал заниматься космологией и вообще пошел в физику.
Есть три варианта геометрии нашей Вселенной: она может быть закрытой, открытой или плоской. Имеется в виду не форма самой Вселенной, а то, как в ней выглядит плоскость, сравнимая с размером самой Вселенной. Например, если нарисовать сколь угодно большой треугольник в плоской Вселенной, то сумма его углов будет равна 180 градусам. В открытой Вселенной линии, по которым движется свет, изгибаются, поэтому сумма углов треугольника будет меньше 180 градусов. А в закрытой Вселенной сумма его углов, наоборот, будет больше 180 градусов.
Согласно теории относительности, закрытая Вселенная будет расширяться, а затем сжиматься обратно и в конце концов схлопнется, открытая Вселенная будет расширяться бесконечно, а плоская сначала будет расширяться, а затем очень постепенно замедлится и остановится. Если мы сможем определить, в какой Вселенной живем, то узнаем и наше будущее. Но как это сделать?
Темная материя
Геометрия Вселенной связана с плотностью ее вещества: если она больше определенного значения (5,5 атома водорода на кубический метр.
— Прим. T&P), Вселенная закрытая, если меньше — открытая, а если равна — плоская. Соответственно, если Ω — отношение плотности Вселенной и критической плотности — больше единицы, то Вселенная закрытая, если меньше — открытая, а если равна — плоская.
В 1936 году Альберт Эйнштейн опубликовал в журнале Science статью («Линзоподобное действие звезды при отклонении света в гравитационном поле». — Прим. T&P), в которой писал, что раз пространство искривляется из-за гравитации и есть такие тяжелые объекты, как звезды, то свет, находящийся за звездой, обходит мешающие ему объекты, а пространство может выступать в роли линзы. Он пришел к этим выводам еще в 1914 году, но забыл о них, потому что считал, что это не так важно. На самом деле феномен гравитационной линзы, конечно, крайне важен.
Вследствие явления, описанного Эйнштейном, мы можем видеть на изображении выше не только отдельные галактики и их скопления, но и множественные изображения одной и той же галактики.
Свет от этой галактики прошел через другую галактику, попал в гравитационную линзу и был искажен.
Мы также можем подсчитать массу галактики, которая так сильно исказила свет. Эту сложную задачу, математическую инверсию, ученые решили в конце 1990-х годов. Они получили диаграмму распределения масс, на которой галактики обозначены пиками, — но присутствуют также пики там, где галактик вроде бы не видно. Это невидимая материя, которой в 40 раз больше, чем видимой, а раз она невидима и не сияет, то ее назвали темной. Оказалось, что в галактиках гораздо больше темной материи, чем материи самих галактик.
Темная материя состоит не из обычных протонов и нейтронов, а из других элементарных частиц. Она везде, а раз так, мы можем провести эксперимент здесь, на Земле, чтобы ее найти. Можно попробовать зафиксировать взаимодействие какой-нибудь массивной темной частицы с обычной частицей. Этому мешает естественный радиационный фон, поэтому такие эксперименты проводятся глубоко под землей.
В качестве мишеней используются кристаллы кремния или германия, охлажденные до 0,001°C. Такие детекторы расположены в разных частях земного шара, но пока что они не зафиксировали ничего, что можно было бы однозначно трактовать как темную материю. Можно еще попробовать создать темную материю в лабораторных условиях — для этого у нас есть Большой адронный коллайдер. Но сейчас для нас важнее не из чего состоит темная материя, а сколько она весит — коль скоро она составляет бóльшую часть массы Вселенной.
Глядя на диаграмму выше, мы можем подсчитать общую массу, массу видимых галактик и массу темной материи. Однако все обнаруженные учеными массы составляют только 30% массы, необходимой, чтобы Вселенная была плоской. Можно было бы сделать вывод, что наша Вселенная открытая и будет расширяться бесконечно. Но здесь есть подвох: все эти подсчеты касаются только галактик и их скоплений. А то, что находится между ними, мы взвесить не можем. Так что нам нужен какой-нибудь другой объект для измерения.
Геометрия Вселенной
Когда мы глядим на Вселенную, то чем дальше смотрим, тем в более глубокое прошлое заглядываем. Можно было бы предположить, что где-то там виден и Большой взрыв, — но между нами и Большим взрывом стена. В самом начале Вселенная была настолько жаркой и плотной, что свет не мог покинуть ее. Потом Вселенная постепенно охлаждалась и, когда ей было 379 тысяч лет, стала электрически нейтральной (замедлившиеся электроны начали соединяться с протонами и альфа-частицами, образуя атомы водорода и гелия. — Прим. T&P) и прозрачной. Этот момент — самая ранняя точка, которую мы видим, оглядываясь назад во времени. Вот так она выглядела (это проекция Мольвейде, которая также часто используется в картографии):
Реликтовое излучение, которое фиксируют детекторы, находящиеся на Земле, исходит от условной поверхности последнего рассеяния, которое видится нам как окружающая нас на очень далеком расстоянии сфера. На этой поверхности видны более горячие участки — там, где 379 тысяч лет назад были сгустки материи.
Мы знаем их максимально возможный размер (он зависит от скорости гравитации, а ее значение равно скорости света) — 100 млн световых лет. Сравнивая эти цифры с тем, что мы наблюдаем, можно сделать вывод о том, в какой Вселенной мы живем: в закрытой Вселенной сгустки из-за искривления пространства казались бы нам меньше, чем на самом деле; в открытой — больше, а в плоской Вселенной никаких искривлений нет и сгустки выглядели бы на свои 100 млн световых лет.
Данные, полученные в ходе эксперимента BOOMERanG (Balloon Observations Of Millimetric Extragalactic Radiation and Geophysics — «Аэростат для наблюдения миллиметрового внегалактического излучения и геофизических исследований». С помощью аэростатов радиотелескоп поднимался на высоту 42 тысячи метров, где мог фиксировать реликтовое излучение без потерь, в то время как в атмосфере оно поглощается микроволнами. — Прим. T&P), соответствуют расчетам и не выявляют никакого искривления пространства. С вероятностью 99% мы живем в плоской Вселенной.
Но возникает противоречие: для плоской Вселенной, как я уже говорил, мы видим слишком мало вещества — всего 30% от необходимой массы. Где же могут быть оставшиеся 70%?
Энергия пустого пространства
В пустом пространстве, в ничто. Звучит, конечно, глупо, но пустое пространство не такое уж и пустое. Вот так выглядит то, что происходит внутри протона: постоянно что-то бурлит, появляются и исчезают различные частицы:
Мы не «видим» их, потому что они возникают на очень непродолжительное время, но при этом они составляют основную часть массы протона. А раз так, то, возможно, они появляются в открытом пространстве и дают какую-то энергию. Может быть, вакуум тоже что-то весит?
Еще когда я учился в университете, было предположение, что энергия вакуума — это единица со 120 нулями, но этого просто не может быть: будь это так, Вселенная была бы другой и нас бы просто не существовало. Мы ждали какого-то математического чуда, которое бы позволило нам сократить это число; предполагали даже, что энергия пустого пространства равна нулю.
А затем решили не полагаться на теоретиков: если у пустого пространства есть энергия, ее можно измерить. Но как?
Гравитация в большинстве случаев притягивает объекты друг к другу, но вакуум создает антитяготение. Чтобы рассчитать его, необходимо понять, расширяется ли наша Вселенная с ускорением или с замедлением. Первые попытки определить это сделал Эдвин Хаббл в 1929 году, но сейчас мы знаем, что его расчеты были неверны из-за того, что, в частности, не учитывали эволюцию галактик и связанные с ней изменения светимости. Так что нам нужны были какие-то другие объекты с известной яркостью.
Это изображение галактики, расположенной в 7 млн световых лет от нас. В левом нижнем углу виден яркий объект — можно предположить, что в кадр случайно попала звезда из нашей Галактики, но нет: это сверхновая, которая светится как сто миллиардов звезд. Потом она тускнеет, но в первый месяц она светится с яркостью, которая нам известна. Сверхновые появляются в Галактике примерно раз в сто лет.
Можно выдать каждому студенту по галактике, и пусть постоянно смотрит на нее — за сто лет как раз напишет диссертацию. Но на самом деле галактик очень много: если соединить пальцы в кружок размером с пятирублевую монету и посмотреть через него на небо, в этом кружочке будут сотни галактик. А значит, в небе постоянно взрываются сверхновые, так что мы легко можем использовать их, чтобы рассчитывать расстояния до отдаленных галактик и скорости, с которыми эти расстояния увеличиваются. Эти расчеты были проведены в 1998 году, и результатом стал вот такой график:
Если бы темпы расширения Вселенной были одинаковыми, то в его нижней части была бы просто прямая линия. Астрономы ожидали, что все сверхновые будут либо на этой линии, либо ниже. Но большая часть таких звезд оказалась выше линии — это могло быть только в том случае, если бы темпы расширения Вселенной увеличивались.
А чтобы Вселенная расширялась, нужно как раз столько энергии, сколько нам не хватало, — те самые 70%. Тогда все сходится.
В 2011 году Нобелевскую премию по физике получили ученые, обнаружившие, что
Вселенная расширяется с ускорением, а большая часть массы находится в пустом пространстве. И мы понятия не имеем, как это возможно.
Вероятно, это как-то связано с самой природой пространства и времени и причинами возникновения Вселенной. Но теперь понятно, что ее будущее будет определяться не материей и даже не геометрией, а энергией пустого пространства.
Много шума из ничего
Что будет, если подбросить монетку? Скорее всего, она упадет, но если забросить ее достаточно далеко, она улетит и не вернется. Энергия подброшенной монетки складывается из двух величин: «положительной» кинетической энергии T = mv²/2 (где m — масса монетки, а v — скорость ее движения. — Прим. T&P) и «отрицательной» силы гравитационного притяжения U = –GMm/R (где G — гравитационная постоянная, M — масса Земли, а R — расстояние между центрами масс Земли и монетки. — Прим. T&P).
В итоге все сводится к своего рода бухгалтерскому учету: если вторая величина больше первой, монетка упадет на землю, если наоборот — улетит. И если мы можем сделать подобные расчеты для монетки, значит, можем сделать их и для всей Вселенной.
На этом изображении — происхождение Вселенной:
Со всеми галактиками происходит примерно одно и то же, так что, чтобы определить их будущее, достаточно определить будущее одной из галактик — например, той, которая обозначена вопросительным знаком. Как и в случае с монеткой, энергия, с которой она движется, определяется кинетической энергией и гравитационным притяжением. Если первая больше второго, Вселенная будет расширяться бесконечно; если второе больше первой, Вселенная в конце концов схлопнется.
Оказывается, соотношение этих двух величин и есть та самая Ω, про которую мы говорили в начале (отношение плотности Вселенной к критической плотности). Мы уже знаем, что живем в плоской Вселенной, значит, Ω = 1. Следовательно, энергия, с которой Галактика удаляется от центра Вселенной, равна энергии, которая тянет ее обратно, — и это касается всех галактик во Вселенной.
Получается, что их суммарная энергия равна нулю — вот что случается, если вы создаете Вселенную из ничего.
Возникнуть и не пропасть
Мы уже выяснили, что пустое пространство, которое мы сейчас наблюдаем во Вселенной, не такое уж пустое: в нем постоянно что-то бурлит, возникают и исчезают виртуальные частицы. Но откуда взялось то ничто, из которого появляются эти частицы, откуда взялось само пространство? Оказывается, при совместном действии квантовой механики и гравитации могут появляться не только частицы в пространстве, но и само пространство.
Вселенная может просто взять и появиться.
Ранее мы выяснили, что спонтанно появиться из ничего может только Вселенная, у которой общая энергия равна нулю, а это закрытая Вселенная. А еще раньше — что наша Вселенная плоская. Возникает противоречие.
Представьте себе воздушный шарик: если надуть его очень сильно, его поверхность будет казаться плоской, как кажется плоской круглая Земля (особенно если наблюдать ее где-нибудь в тундре).
Если Вселенная с первых мгновений своего существования будет очень быстро расширяться, с ней произойдет то же самое — она возникнет как закрытая, а через 14 миллиардов лет станет плоской. Это резкое расширение — инфляция — описывается инфляционной моделью, которая была предложена в 1981 году физиком Аланом Гутом. Вот она на графике:
Но как доказать, что инфляция действительно имела место?
Еще в 1916 году Эйнштейн пришел к выводу, что, перемещаясь в пространстве, мы создаем гравитационные волны, так называемую рябь пространства-времени. Каждый раз, когда я двигаю рукой, появляются гравитационные волны, распространяющиеся со скоростью света. Но рябь настолько незначительна, что мы ее не замечаем. В обсерваториях в Вашингтоне и Луизиане (лазерно-интерферометрических гравитационно-волновых обсерваториях LIGO. — Прим. T&P) есть специальные детекторы, позволяющие улавливать гравитационные волны. Впервые это удалось сделать в сентябре 2015 года, когда произошло слияние двух черных дыр.
За это открытие в 2017 году ученые получили Нобелевскую премию по физике.
Но это значит, что такое событие, как инфляция, также должно было породить гравитационные волны, и, если мы их обнаружим, мы подтвердим и правильность инфляционной модели (их поиском занимаются ученые в рамках серии экспериментов BICEP2. — Прим. T&P). А это будет значить, что наша Вселенная действительно могла быть произведена из ничего.
Если мы действительно находимся во Вселенной, расширяющейся с ускорением, то объекты, которые мы сейчас видим, вскоре будут находиться от нас на огромном расстоянии.
Сотни миллиардов галактик, которые мы сейчас видим, будут отдаляться от нас со скоростью больше скорости света, и мы окажемся в этом темном пустом пространстве одни. В начале было ничто, и в конце тоже будет ничто.
Мы еще не доказали, что это так, но это очень вероятно. И мне нравится эта вероятность: каждый раз, когда можно избавиться от божественного вмешательства и объяснить все с точки зрения физики, мы делаем шаг вперед.
Помимо нашей Вселенной, могут существовать или прямо сейчас создаваться и другие, где действуют другие законы. Мы, люди, крайне неважная часть Вселенной, мы шум, загрязнение на ее фоне. Если вам это не нравится, возможно, вас утешит высказывание Эйнштейна:
«Самая прекрасная эмоция, которую нам дано испытать, — ощущение тайны. Это основополагающая эмоция, стоящая у истоков всякого истинного искусства и науки».
Вселенная была создана не для нас, она была просто создана. Вселенной на нас наплевать. Мы сами наполняем нашу жизнь значением и смыслом.
Вопросы и ответы
— У меня вопрос об инфляции. Вы сказали, что ее предсказали физики, которые занимаются физикой частиц. А какое отношение инфляция пространства имеет к физике частиц?
— Физика частиц говорит о том, что ранняя Вселенная претерпела переход из одного фазового состояния в другое. Когда происходит этот фазовый переход, выделяется огромное количество энергии, что и привело к инфляции.
— Предположим, что темная материя окажется все-таки частицей и мы сможем ее найти. Не окажется ли тот фундамент, на котором построена вся современная физика, ложным?
— Физика элементарных частиц предсказывает наличие большого количества различных частиц. И открытие каждой новой частицы выводит стандартную модель за прежние границы. Если мы сможем найти темную материю — да, многие наши идеи окажутся неверными, и нам придется продумать и разработать новые законы. Но ученые готовы ошибаться. Многие из нас ходят на работу для того, чтобы доказать, что другие ученые ошибаются, — именно так и приходит известность.
— Понятно, какими могут быть границы у закрытой Вселенной. Но мне не совсем понятно, какие границы у плоской Вселенной, в которой мы находимся.
— У закрытой Вселенной нет границ. Возьмите воздушный шарик, нарисуйте на нем несколько точек и надувайте. Вселенная похожа на поверхность этого шарика: она не имеет границ, при этом расширяется так, что расстояние между точками постепенно увеличивается.
— У меня вопрос, который возник при чтении книг Ричарда Докинза. Наш мозг эволюционно запрограммирован не для того, чтобы понимать Вселенную, а для того, чтобы решать бытовые вопросы. Не боитесь ли вы того, что в какой-то момент наука столкнется с границами возможностей мозга?
— Может быть. Но я не боюсь. Так же, как я не боюсь жить в этой Вселенной, у которой нет никакого назначения. Да, могут быть какие-то ограничения у человеческого мозга, но мы не узнаем наверняка до тех пор, пока не попробуем. Именно поэтому нужно постоянно пытаться. И, как я понимаю, у нас пока не получилось уткнуться в какую-то стену. Может быть, у вас будут какие-то сложности, но ваши дети и внуки смогут преодолеть их. Мы постоянно идем дальше, мы постоянно преодолеваем эти границы. Наука именно тем и занимается, что выходит за границы.
Может быть, не очень по теме, но одна из причин, по которой я занимаюсь квантовыми компьютерами и искусственным интеллектом, в том, что, может быть, они смогут объяснить нам то, что сами мы понять не можем.
Многих пугает искусственный интеллект, но я думаю, что он сможет стать лучшим физиком, чем мы.
— В какой роли вы видите искусственный интеллект в вашей области?
— Понятия не имею. Я не прогнозирую ближе чем на 2 трлн лет. Каким будет будущее с искусственным интеллектом, зависит от нас. Мы должны думать о возможностях и быть готовыми к ним. Один из вариантов — что мы останемся без работы. Но зато мы сможем бесконечно ходить на научные конференции и слушать музыку. Я в данном случае пессимистически настроен, поскольку, честно говоря, не очень верю в человечество. Но посмотрим, что будет. Мы еще можем подготовиться.
— Возможно ли доказать, что мы живем в компьютерной симуляции?
— Очень многие задают этот вопрос. Ответ: скорее всего, нет.
Во-первых, компьютерная симуляция никогда не является идеальной. Есть битые пиксели, в которых не работают законы природы. Но мы такого не видим. Может быть, в голове у президента Трампа есть такие пиксели, но в большинстве остальных случаев таких пикселей не наблюдается.
Все работает согласно законам природы.
Во-вторых, говоря о том, что мы внутри симуляции, мы должны задать вопрос: что нас создало? А наших создателей? Идея, что наше существование — это компьютерная симуляция, — просто еще одна версия вопроса о том, кто создал Вселенную.
Но мне как физику вообще неважно, в симуляции я или нет, — мне интересно, по каким законам она создана.
Если вы хотите доказать, что наш мир — симуляция, ищите баги в программе. Может быть, в будущем мы их найдем, пока — нет.
— Вселенная расширяется. Бесчисленное количество космических объектов отдаляются от нас все быстрее и быстрее. Значит ли это, что наши шансы найти в этой Вселенной другие цивилизации все уменьшаются и уменьшаются?
— Во-первых, до того, как другие галактики окончательно пропадут из виду, у нас еще 2 трлн лет — за это время можно найти внеземную цивилизацию. Во-вторых, даже через 2 трлн лет у нас будет наша Галактика — потому что сами галактики не расширяются.
— Если все появилось из ничего, каким образом 13 млрд лет назад это ничто решило сделать Большой взрыв? И почему Большой взрыв не происходит сейчас?
— Ответ на первый вопрос — я не знаю. Именно поэтому я занимаюсь наукой.
Что касается второго вопроса. Большие взрывы могут происходить прямо сейчас, в других пространствах. Прямо перед вами может появиться пространство, но оно очень быстро будет отделено от нашей Вселенной. В мультивселенной постоянно могут происходить большие взрывы, появляться и схлопываться вселенные.
— Не конфликтует ли то, о чем вы нам рассказали, с законом сохранения энергии?
— Честно говоря, не конфликтует. Если посмотреть на сотни миллионов звезд и галактик, то в них очень много энергии. Но нужно просто добавить в это уравнение гравитационное притяжение, и общая результирующая энергия всей нашей Вселенной, всего вещества, будет равна нулю. Таким образом, энергия сохраняется. Поразительно, да?
— Можно ли создать модель такой вселенной, законы физики в которой были бы невозможны в нашей Вселенной?
— Я именно этим чаще всего и занимаюсь.
Я физик-теоретик, я постоянно создаю модели, которые описывают разные вселенные. Нужно понимать, что в большинстве случаев я ошибаюсь. У меня были потрясающе красивые, очень хорошие теории, которые оказались неверными. Но, может быть, раз в жизни я случайно окажусь прав (как это было с идеей, что Вселенная расширяется с ускорением).
Поиск важнее, чем сама реальность. Наша жизнь похожа на миф о Сизифе, у нас нет выбора. Мы можем впасть в депрессию — а можем наслаждаться поиском.
— Если в разных вселенных образуются разные законы физики, существует ли какой-то высший закон физики над ними всеми, по которому образуются эти разные законы?
— То есть метазаконы? Может быть. Кто знает… Это возможно. В каких-то теориях, например теории струн. Но сейчас нет доказательств. Может быть, там действуют законы математики. Я не знаю, чего ожидать. Но это не доказывает, конечно же, существование какого-либо бога.
— Вы живете в стране, где политику нежелательно признаваться в том, что он атеист, для того чтобы не потерять рейтинг.
А мы живем в стране, где около 70–80% людей считают себя людьми религиозными, ничего не знают и знать не хотят про теорию Большого взрыва. Как вы считаете, что должно произойти, для того чтобы расстановка сил в мире поменялась?
— Честно говоря, мне без разницы, религиозны люди или нет. Когда я вижу людей, которые считают, что миру 5 или 6 тысяч лет, я не считаю, что они глупы. Мне кажется, им просто не хватает знаний. Людям старшего поколения уже поздно меняться, но я надеюсь на молодых людей. Я хочу, чтобы молодые люди думали, а не только чувствовали. И дело даже не в фактах, потому что факты вы в большом количестве найдете в своем смартфоне — но они могут быть неверными. Самое важное — научить людей задавать вопросы и отличать истинное от ложного. Я думаю, преподавание наук в школе побуждает молодых людей к этому.
— Учитель физики в школе говорил мне, что спрашивать, чтó было до Большого взрыва — это как бы моветон, потому что в точке сингулярности не действуют законы физики.
Он говорил, что все будут смеяться, если я кого-то спрошу об этом. Но при этом всю лекцию вы только об этом и говорили. Поэтому у меня вопрос: ограниченны ли вообще возможности человеческого познания?
— Вопрос хороший, но ответ вам не понравится. Нет никакого «до», потому что само время возникло во время Большого взрыва. Это очень сложно представить. Но вопрос «Что было до Большого взрыва?» может просто не иметь значения. И нашему сознанию, может быть, не хватает возможностей для того, чтобы понять этот вопрос и ответить на него.
Но я бы хотел, чтобы вы продолжали задавать вопросы и поражаться Вселенной такой, какая она есть. Неважно, если вы понимаете не все. Цените ее за то, что она больше, чем вы можете понять. Нужно постоянно смотреть вперед, потому что Вселенная нас может очень многому научить.
Литература
Краусс Л. Все из ничего. М.: Альпина нон-фикшн, 2019.
Краусс Л. Страх физики. Сферический конь в вакууме. СПб.: Питер, 2016.
Краусс Л. Почему мы существуем? Величайшая из когда-либо рассказанных историй. М.: Альпина нон-фикшн, 2018.
Краусс Л. Вселенная из ничего. Почему не нужен Бог, чтобы из пустоты создать Вселенную. М.: АСТ, 2016.
Lens-Like Action of a Star by the Deviation of Light in the Gravitational Field. Albert Einstein Science, New Series, Vol. 84, No. 2188. (Dec. 4, 1936), pp. 506–507.
Благодарим Марию Ломаеву за помощь в подготовке конспекта.
Мы публикуем сокращенные записи лекций, вебинаров, подкастов — то есть устных выступлений. Мнение спикера может не совпадать с мнением редакции. Мы запрашиваем ссылки на первоисточники, но их предоставление остается на усмотрение спикера.
Как что-то могло появиться из ничего?
ТЕМЫ:АстрофизикаБольшой взрывПопулярноРазговорыУниверситет Бирмингема
Аластер Уилсон, Бирмингемский университет 19 января 2022 г.
Эволюция космоса после Большого Взрыва. Кредит: НАСА
ВОПРОС ЧИТАТЕЛЯ: Насколько я понимаю, ничто не возникает из ничего.
Чтобы что-то существовало, должен быть доступен материал или компонент, а чтобы они были доступны, должно быть доступно что-то еще. Теперь мой вопрос: откуда взялся материал, который создал Big Bang 9?0010
Большой взрыв — это ведущая космологическая модель, объясняющая, как вселенная, какой мы ее знаем, возникла примерно 13,8 миллиарда лет назад.
» data-gt-translate-attributes='[{«attribute»:»data-cmtooltip», «format»:»html»}]’>Большой взрыв, и что произошло в первую очередь для создания этого материала? Питер , 80, Австралия. «Последняя звезда будет медленно остывать и исчезать. С ее уходом вселенная снова станет пустотой, лишенной света, жизни или смысла». Так предупредил физик Брайан Кокс в недавнем сериале Би-би-си «Вселенная». Угасание этой последней звезды будет лишь началом бесконечно долгой темной эпохи. В конечном итоге вся материя будет поглощена чудовищными черными дырами, которые, в свою очередь, испарятся. в самые тусклые проблески света. Пространство будет постоянно расширяться, пока даже этот тусклый свет не станет слишком рассеянным, чтобы взаимодействовать.
Или будет? Как ни странно, некоторые космологи считают, что предыдущая, холодная темная пустая вселенная, подобная той, которая находится в нашем далеком будущем, могла быть источником нашего собственного Большого взрыва.
Первая материя
Но прежде чем мы перейдем к этому, давайте посмотрим, как впервые возникла «материальная» — физическая материя. Если мы стремимся объяснить происхождение стабильной материи, состоящей из атомов или молекул, то ничего подобного 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, как только условия охладились настолько, что сложная материя стала стабильной, и как эти атомы позже слились в более тяжелые элементы внутри звезд. Но это понимание не решает вопроса о том, произошло ли что-то из ничего.
Итак, давайте вспомним. Первыми долгоживущими частицами вещества любого вида были протоны и нейтроны, которые вместе составляют атомное ядро.
Они появились примерно через одну десятитысячную долю секунды после Большого взрыва. До этого момента действительно не было материала в привычном смысле этого слова. Но физика позволяет нам продолжать прослеживать временную шкалу в обратном направлении — к физическим процессам, которые предшествовали любой стабильной материи.
Это переносит нас в так называемую «великую объединенную эпоху». К настоящему времени мы уже в области спекулятивной физики, поскольку не можем производить достаточно энергии в наших экспериментах, чтобы исследовать процессы, которые происходили в то время. Но правдоподобной гипотезой является то, что физический мир состоит из супа из короткоживущих элементарных частиц, включая кварки, строительные блоки протонов и нейтронов. Было и вещество, и «антивещество» примерно в равных количествах: у каждого типа частиц материи, таких как кварк, есть компаньон из антивещества, «зеркальное отражение», который почти идентичен себе, отличаясь только одним аспектом. Однако материя и антиматерия аннигилируют во вспышке энергии при встрече, а это означает, что эти частицы постоянно создавались и уничтожались.
Но как вообще появились эти частицы? Квантовая теория поля говорит нам, что даже вакуум, предположительно соответствующий пустому пространству-времени, наполнен физической активностью в виде флуктуаций энергии. Эти флуктуации могут привести к тому, что частицы выскочат наружу, но вскоре после этого исчезнут. Это может показаться математической причудой, а не реальной физикой, но такие частицы были обнаружены в бесчисленных экспериментах.
Вакуум пространства-времени кишит частицами, которые постоянно создаются и уничтожаются, по-видимому, «из ничего». Но, возможно, все это на самом деле говорит нам о том, что квантовый вакуум (несмотря на свое название) — это нечто, а не ничто. Философ Дэвид Альберт незабываемо критиковал теории Большого Взрыва, которые обещают таким образом получить что-то из ничего.
Моделирование флуктуаций квантового вакуума в квантовой хромодинамике. Предоставлено: Wikimedia/Ahmed Neutron
Предположим, мы спрашиваем: откуда возникло само пространство-время? Затем мы можем повернуть часы еще дальше назад, в действительно древнюю «планковскую эпоху» — период настолько ранний в истории Вселенной, что наши лучшие физические теории рушатся.
Эта эра наступила всего через одну десятимиллионную триллионной триллионной триллионной доли секунды после Большого Взрыва. В этот момент само пространство и время стали подвержены квантовым флуктуациям. Физики обычно работают отдельно с квантовой механикой, управляющей микромиром частиц, и с общей теорией относительности, применимой в больших космических масштабах. Но чтобы по-настоящему понять эпоху Планка, нам нужна полная теория квантовой гравитации, объединяющая их.
У нас до сих пор нет идеальной теории квантовой гравитации, но есть попытки — вроде теории струн и петлевой квантовой гравитации. В этих попытках обычное пространство и время обычно рассматриваются как возникающие, как волны на поверхности глубокого 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, укоренившихся в макроскопическом мире.
В эпоху Планка наше обычное понимание пространства и времени рушится, поэтому мы больше не можем полагаться и на наше обычное понимание причины и следствия.
Несмотря на это, все кандидаты в теории квантовой гравитации описывают нечто физическое, что происходило в эпоху Планка — некий квантовый предшественник обычного пространства и времени. Но откуда , откуда ?
Даже если причинно-следственная связь больше не применима обычным образом, все же возможно объяснить один компонент Вселенной эпохи Планка с точки зрения другого. К сожалению, к настоящему времени даже наша лучшая физика не может полностью дать ответы. Пока мы не продвинемся дальше к «теории всего», мы не сможем дать какой-либо окончательный ответ. Самое большее, что мы можем с уверенностью сказать на данном этапе, это то, что физика до сих пор не нашла подтвержденных случаев возникновения чего-либо из ничего.
Циклы почти из ничего
Чтобы по-настоящему ответить на вопрос, 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 весьма спекулятивными.
Некоторые из них взывают к сверхъестественным силам, как дизайнер. Но другие возможные объяснения остаются в сфере физики — например, мультивселенная, содержащая бесконечное число параллельных вселенных, или циклические модели вселенной, рождающиеся и возрождающиеся снова.
Нобелевский лауреат 2020 года по физике Роджер Пенроуз предложил одну интригующую, но противоречивую модель циклической Вселенной, получившую название «конформная циклическая космология». Пенроуз был вдохновлен интересной математической связью между очень горячим, плотным, маленьким состоянием Вселенной, каким оно было во время Большого взрыва, и чрезвычайно холодным, пустым, расширенным состоянием Вселенной, каким оно будет в далеком будущем. . Его радикальная теория, объясняющая это соответствие, состоит в том, что эти состояния становятся математически идентичными, если довести их до предела. Каким бы парадоксальным это ни казалось, полное отсутствие материи могло породить всю материю, которую мы видим вокруг себя в нашей Вселенной.
С этой точки зрения Большой Взрыв возникает практически из ничего. Это то, что остается, когда вся материя во Вселенной поглощается черными дырами, которые, в свою очередь, испаряются в фотоны — теряются в пустоте. Таким образом, вся вселенная возникает из чего-то, что, если смотреть с другой физической точки зрения, настолько близко, насколько это вообще возможно, ни к чему. Но это ничто по-прежнему является своего рода чем-то. Это все еще физическая вселенная, хотя и пустая.
Как одно и то же состояние может быть холодной и пустой вселенной с одной точки зрения и горячей плотной вселенной с другой? Ответ заключается в сложной математической процедуре, называемой «конформным масштабированием», геометрическом преобразовании, которое фактически изменяет размер объекта, но оставляет его форму неизменной.
Пенроуз показал, как холодное плотное состояние и горячее плотное состояние могут быть связаны таким масштабированием, чтобы они совпадали в отношении формы их пространства-времени, хотя и не в отношении их размеров.
По общему признанию, трудно понять, как два объекта могут быть таким образом идентичными, когда они имеют разные размеры, но Пенроуз утверждает, что размер как понятие теряет смысл в таких экстремальных физических условиях.
В конформно-циклической космологии направление объяснения идет от старого и холодного к молодому и горячему: существует горячее плотное состояние из-за холодное пустое состояние. Но это «потому что» не является общеизвестным — причина, за которой во времени следует ее следствие. В этих экстремальных состояниях не только размер перестает иметь значение, но и время. Холодное плотное состояние и горячее плотное состояние фактически расположены на разных временных линиях. Холодное пустое состояние будет продолжаться вечно с точки зрения наблюдателя в его собственной временной геометрии, но горячее плотное состояние, которое оно порождает, эффективно населяет новую собственную линию времени.
Это может помочь понять, что горячее плотное состояние возникает из холодного пустого состояния каким-то не причинным образом.
Возможно, нам следует сказать, что горячее плотное состояние возникает из , или основывается на , или реализуется посредством в холодном, пустом состоянии. Это отчетливо метафизические идеи, которые широко исследовались философами науки, особенно в контексте квантовой гравитации, где обычная причина и следствие, кажется, несовместимы. В пределах наших знаний физику и философию становится трудно разделить.
Экспериментальное свидетельство?
Конформная циклическая космология предлагает некоторые подробные, хотя и спекулятивные ответы на вопрос, откуда произошел наш Большой Взрыв. Но даже если видение Пенроуза подтвердится грядущим прогрессом космологии, можно подумать, что мы все равно не ответили бы на более глубокий философский вопрос — вопрос о том, откуда взялась сама физическая реальность. Как возникла вся система циклов? Затем мы, наконец, приходим к чистому вопросу о том, почему существует что-то, а не ничто — один из самых больших вопросов метафизики.
Но здесь мы сосредоточимся на объяснениях, которые остаются в сфере физики. Есть три общих варианта более глубокого вопроса о том, как начались циклы. Это не могло иметь никакого физического объяснения. Или могут быть бесконечно повторяющиеся циклы, каждый из которых представляет собой вселенную сам по себе, с начальным квантовым состоянием каждой вселенной, объясняемым какой-то особенностью вселенной ранее. Или может быть один-единственный цикл и одна-единственная повторяющаяся вселенная, причем начало этого цикла объясняется какой-то особенностью его собственного конца. Последние два подхода избегают необходимости в каких-либо беспричинных событиях, и это придает им особую привлекательность. Ничто не осталось бы необъясненным физикой.
Текущие циклы различных вселенных в конформно-циклической космологии. Фото: Роджер Пенроуз
Пенроуз предвидит 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 случайно «выбирает одно», когда мы его измеряем. Для Пенроуза каждый цикл включает в себя случайные квантовые события, происходящие по-разному, то есть каждый цикл будет отличаться от предыдущих и последующих. На самом деле это хорошая новость для физиков-экспериментаторов, потому что она может позволить нам взглянуть на старую Вселенную, которая породила нашу, через слабые следы или аномалии в остаточном излучении Большого взрыва, наблюдаемом спутником «Планк».
Пенроуз и его сотрудники считают, что они уже могли обнаружить эти следы, приписывая закономерности в данных Планка излучению сверхмассивных черных дыр в предыдущей Вселенной. Однако заявленные ими наблюдения были оспорены другими физиками, и жюри остается в силе.
Карта космического микроволнового фонового излучения. ESA и Planck Collaboration
Бесконечные новые циклы являются ключом к собственному видению Пенроуза.
Но есть естественный способ преобразовать конформно-циклическую космологию из многоцикловой в одноцикловую форму. Тогда физическая реальность состоит в единственном цикле вокруг Большого Взрыва до максимально пустого состояния в далеком будущем – и затем снова по кругу до того же Большого Взрыва, порождающего снова и снова ту же Вселенную.
Эта последняя возможность согласуется с другой интерпретацией квантовой механики, получившей название многомировой интерпретации. Интерпретация многих миров 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, — это всего лишь одна из возможностей — та, которая разыгрывается в нашей собственной вселенной. Все результаты других измерений разыгрываются в других вселенных в мультивселенной, фактически отрезанных от нашей собственной. Таким образом, как бы мала ни была вероятность того, что что-то произойдет, если вероятность этого не равна нулю, то это произойдет в каком-то квантовом параллельном мире.
Есть такие же люди, как и вы, в других мирах, которые выиграли в лотерею, или были унесены в облака странным тайфуном, или спонтанно воспламенились, или сделали все три одновременно.
Некоторые считают, что такие параллельные вселенные также можно наблюдать в космологических данных как отпечатки, вызванные столкновением другой вселенной с нашей.
Квантовая теория многих миров дает новый взгляд на конформно-циклическую космологию, хотя и не тот, с которым согласен Пенроуз. Наш Большой Взрыв может быть возрождением одной единственной квантовой мультивселенной, содержащей бесконечное множество различных вселенных, происходящих вместе. Случается все возможное — потом это происходит снова, и снова, и снова.
Древний миф
Для философа науки видение Пенроуза завораживает. Это открывает новые возможности для объяснения Большого Взрыва, выводя наши объяснения за рамки обычных причин и следствий. Поэтому это отличный пример для изучения различных способов, которыми физика может объяснить наш мир.
Он заслуживает большего внимания со стороны философов.
Для любителя мифов видение Пенроуза прекрасно. В излюбленной Пенроузом многоцикловой форме он обещает бесконечные новые миры, рожденные из пепла их предков. В своей одноцикловой форме это поразительное современное повторение древней идеи уробороса, или мирового змея. В скандинавской мифологии змей Ёрмунганд — дитя ловкого обманщика Локи и великанши Ангрбоды. Ёрмунганд пожирает собственный хвост, и созданный круг поддерживает баланс мира. Но миф об уроборосе был задокументирован во всем мире, в том числе еще в Древнем Египте.
Уроборос на гробнице Тутанхамона. Предоставлено: Djehouty/Wikimedia
Уроборос единой циклической вселенной поистине величественен. В его чреве находится наша собственная Вселенная, а также все странные и чудесные альтернативные возможные вселенные, допускаемые квантовой физикой. сто тысяч миллионов миллиардов триллионов градусов Цельсия
Доказательство того, что Вселенная могла возникнуть из ничего?
Футуризм
4.
26. 14 Джошуа Филмера er
Большой взрыв подтверждается множеством доказательств. Таким образом, текущий научный консенсус заключается в том, что эта Вселенная «взорвалась» около 13,7 миллиардов лет назад. Гравитационные волны, космический микроволновый фон и чрезмерное изобилие первичных элементов — все это придает большой вес теории Большого взрыва. Однако, несмотря на все эти доказательства, у ученых все еще остается мучительный вопрос: что вызвало Большой взрыв? Откуда взялись все эти вещи?
Многие ученые предполагают , что Вселенная возникла из ничего, и эта идея может быть верной только в свете квантовой теории. В конечном счете, квантовые флуктуации могут позволить Вселенной спонтанно образоваться из ничего. Однако без математического доказательства идея о том, что Вселенная возникла спонтанно, не имеет реального основания. И в этом была проблема. У нас не было математики, чтобы поддержать гипотезу «вселенная из ничего».
Здесь в дело вступает Дуншань Хэ и его команда из Уханьского института физики и математики (WIPM). Им удалось разработать первое математическое доказательство того, что Большой взрыв мог быть результатом квантовых флуктуаций. Уравнение Уилера-Дьюитта и принцип неопределенности Гейзенберга лежат в основе этого нового доказательства.
Уравнение Уилера-Дьюитта — первое поколение теории всего. В 1960-х годах Джон Уилер и Брайс Девитт разработали математическую структуру, создавшую нечестивый брак между квантовой механикой и общей теорией относительности. Уравнение закладывает большую основу для идеи квантовой гравитации (одна из основных проблем, с которыми мы сталкиваемся при понимании всего обо всем, заключается в том, что у нас нет модели, объединяющей гравитацию и квантовую механику). Самая большая проблема уравнений в том, что они не включают время. Так что это не великое объединение, но это лучшее, что у нас есть прямо сейчас.
Принцип неопределенности Гейзенберга, с другой стороны, более известен.
Проще говоря, этот принцип гласит, что наблюдатель не может знать ни местонахождение, ни импульс квантовой частицы (иначе пришлось бы нарушать термодинамику). Из принципа неопределенности мы видим, что пустое пространство на самом деле не пусто. Внутри вакуума частицы могут появляться и исчезать из-за вероятностных квантовых флуктуаций (отсюда и возникла идея «ложного вакуума»).0003
Команда WIPM описывает эти пузыри истинного вакуума как идеальную сферу. Они используют эту информацию, чтобы выяснить, насколько быстро может увеличиваться радиус сферы. Отсюда они должны проанализировать пузырь в трех возможных геометриях пространства-времени — открытой, закрытой или плоской. Несмотря на это, команда WIPM обнаружила, что пузырь расширится до размеров, которые приведут к большому взрыву.
Это новое уравнение позволяет получить очень интересные сведения о Вселенной. Гипотеза объясняет темную энергию, энергию, которая вызывает расширение пространства-времени, как величину, называемую квантовым потенциалом. Квантовый потенциал исходит из теории волны-пилота, которая является менее известной интерпретацией квантовой механики (по существу, заменой или дополнением квантовой теории, как мы ее понимаем сегодня). Теория волны-пилота способна воспроизвести все предсказания, сделанные современной квантовой теорией, объяснить такие вещи, как парадокс кота Шредингера, и добавить количество квантового потенциала.
Самая большая проблема с теорией волны-пилота заключается в том, что она не делает предсказаний, уникальных для этой теории. Все предсказания, сделанные с помощью волны-пилота, либо идентичны более широко принятой интерпретации квантовой теории, либо предсказания не поддаются проверке. То есть до тех пор, пока не будет выпущено это новое производное от WIPM.