Вселенная из ничего: Краусс и Пустота

Откуда берётся энергия, что можно будет увидеть в «конце времён» и почему существует «ничто»: на эти и другие вопросы отвечает книга Лоуренса Краусса «Вселенная из ничего».

Представьте, что ваш мир — это окрестности давно состарившегося, но когда-то великолепного, гигантского светила, эволюционно схожего с Солнцем, но значительно, значительно крупнее его. Такие звёзды способны светить до двух триллионов лет, и вокруг одной из них вместе со множеством небесных тел вращается и ваш космический дом – планета, населённая разумными существами. Вы живёте в полной уверенности, что находитесь в центре мироздания, которому, может быть, не более шести тысяч лет, оно совершенно неподвижное и молодое.

На самом же деле перед нами остатки, островки мира, существующего в конце времён… посреди ничто… буквально…

Его жители никогда не узнают, насколько огромна Вселенная. Для них в окружающем мире даже не будет намёка на то, что всё сотворено из звёзд. И метафора, что атомы в вашей «левой руке, возможно, произошли из одной звезды, а в правой — из другой» во веки веков будет пуста и напрасна… Дело в том, что Вселенная, в которой оказались эти существа, настолько велика, а со времён Большого Взрыва утекло столько звёздной материи, что в небесах уже давно не видно ни одной звезды, ни одной галактики.

В своей книге «Вселенная из ничего» американский физик, специалист в области астрофизики и космологии, популяризатор науки Лоуренс Краусс пытается проследить историю Вселенной, которая возникла буквально из «ничего», но совсем не чуждается этого «ничто», а, напротив, пропитана им, содержит его в своей загадочной и далеко ещё до конца не познанной ткани.

Вслед за учёным попытаемся разобраться, что такое энергия, откуда она приходит и что собой представляет это загадочное «ничто».

Вначале была энергия

Согласно современной космологии, 13,7 млрд назад в результате взрывообразного исхода бесконечного количества материи из бесконечно плотной и бесконечно микроскопической сингулярностиКосмологическая сингулярность — состояние Вселенной в прошлом, когда вся материя была «упакована» в «бесконечно» малом объёме при «бесконечно» высокой температуре и плотности возникла наша Вселенная. Момент исхода материи из сингулярности называется «Большим Взрывом». Расширение происходит до сих пор, и все галактики взаимно удаляются друг от друга. Вселенная стремится в бесконечность, и нас вполне закономерно интересует вопрос, что будет дальше, каков конец Вселенной?

Краусс описывает следующие варианты развития.

В зависимости от общего количества материи во Вселенной, её геометрия может принадлежать к одному из трёх типов: к так называемому открытому, закрытому или плоскому.

В данном случае, отмечает автор книги, «плоская» трёхмерная вселенная отнюдь не плоский двумерный блин. Это, скорее, интуитивно понятное нам трёхмерное пространство, в котором лучи света распространяются по прямой линии. Такую вселенную следует отличать от гораздо более трудно представимых изогнутых трёхмерных пространств, где световые лучи, очерчивая кривизну пространства, идут не по прямой линии.

Каждая из перечисленных геометрий предполагает свой сценарий и драматургию «конца света».

Закрытая вселенная должна в один прекрасный день вновь сжаться в процессе, противоположном Большому Взрыву. Открытая же продолжит расширяться вечно с конечной скоростью, а плоская находится как раз на границе: замедлит, но так и не прекратит своё расширение.

Если всё упирается в количество материи, как обстоит дело с нами?

Краусс отмечает, что начальная плотность протонов и нейтронов в нашей Вселенной обеспечивает примерно вдвое большее количество вещества, чем то, которое мы можем наблюдать в звёздах и горячем газе. Но тогда где все эти частицы?

Предположим, продолжает Краусс, они спрятаны в неких невидимых «тёмных объектах». Однако, если подсчитать, сколько должно быть этой некой «тёмной материи», чтобы объяснить движение видимой материи, для примера, в нашей галактике, то обнаружим, что отношение всей материи к видимой материи должно быть примерно 10 к 1.

Значит, тёмная материя не может состоять из протонов и нейтронов. Их просто недостаточно. То есть, кроме видимой, привычной нам Вселенной существует нечто скрытое и неочевидное, что, тем не менее, составляет её основу.

Следует отметить, что общая масса видимых галактик и скоплений и вещества вокруг них была оценена примерно в 30 процентов от общего количества массы, необходимой, чтобы привести к образованию плоской Вселенной. Всё остальное заключает в себе таинственная «темная материя». Но факт есть факт, спешит обрадовать нас автор книги, «темная материя» существует, и наша Вселенная всё-таки плоская (и даже с приличным запасом плоская!), что предполагает наиболее длительное существование из всех указанных типов вселенных.

Однако, если это действительно так, то тогда, как выяснили физики, 70 процентов энергии Вселенной всё ещё не хватает «в наличности»: её нет ни внутри, ни вокруг галактик или даже внутри их скоплений! И снова встаёт вопрос: где вся эта энергия?

И тут, прежде чем приступить к разгадке тайны Вселенной («смысла жизни и вообще»), Краусс предлагает разобраться в нюансах квантового мира, внутри которого так уютно спряталось это самое «ничто».

 

Квантовые странности

Физика элементарных частиц странна и неочевидна. В ней происходят такие вещи, которым невозможно найти аналогии в мире, соразмерном нашему восприятию, где всё кажется интуитивно понятным. Например, электроны в атоме вращаются по своим стабильным орбитам. Это несколько похоже на планетарную модель Солнечной системы. Так же, как и планеты, электроны не приближаются вплотную к своему светилу — в данном случае, к атомному ядру. Однако электроны могут прыгать с орбиты на орбиту. Так случается, если происходит столкновение с фотонами или другими частицами. Орбита вблизи ядра – самая энергетически «бедная». Чем шире электронная орбита, тем большей энергией обладает частица. Но иногда прыжок между орбитами происходит как бы совершенно спонтанно, без очевидных причин. И осуществляется такой переход из одного места пространства в другое — между орбитами — мгновенно. Выглядит это так, уточняет Краусс, как будто на очень коротких временных отрезках частицы совершают прыжок с ускорением, превышающим скорость света!

Графически прыжок можно описать так:

Два отрезка с вектором е- описывают движение электрона. Вектор, соединяющий отрезки с движением электрона, показывает гипотетический путь электрона, на котором он должен был бы двигаться быстрее скорости света. Таким образом, электрон как бы совершает мгновенный скачок в пространстве.

Чтобы разобраться, что же происходит на отрезке, где частица гипотетически движется быстрее света, Краусс использует объяснение американского физика, лауреата Нобелевской премии Ричарда Фейнмана. Он предложил альтернативное понимание: электрон сначала движется вперёд, затем назад во времени (участок «сверхсветового» движения), затем снова вперёд. Однако, по Фейнману, отрицательный заряд, движущийся назад во времени, математически легко может быть представлен эквивалентным положительным зарядом (позитроном), который, не ломая нашу картину мира, нормально движется вперёд во времени с нормальной скоростью! В этом случае рисунок можно интерпретировать следующим образом: движется один электрон, потом в другой точке пространства «из ничего» создается пара позитрон-электрон, а затем позитрон встречает первый электрон, и оба аннигилируют (сталкиваются и уничтожаются с выделением энергии). Впоследствии остается один движущийся электрон.

Таким образом, мы имеем дело не с одной частицей, а с тремя! Первая и вторая, сталкиваясь, аннигилируют как позитрон и электрон, а третья движется дальше. Но самое таинственное и удивительное в этом, что вторая и третья частицы рождаются буквально «из ничего»! Такие частицы, которые появляются и исчезают в масштабах времени, слишком коротких для измерения, называются виртуальными.

И внутриатомное «пустое пространство», «ничто», буквально кипит виртуальными частицами.

Модель флуктуации вакуума

Краусс уточняет: «когда мы пытаемся оценить, какой вклад они [виртуальные частицы] могли бы вносить в массу протона, мы находим, что сами кварки [один из видов элементарных частиц] обеспечивают очень малую часть от общей массы, и что поля, создаваемые этими частицами [виртуальными], вносят большую часть энергии, составляющей энергию покоя протона и, следовательно, его массу покоя. То же самое верно для нейтрона, и, так как вы состоите из протонов и нейтронов, то же самое верно для вас!

 

Энергия почти не видна

Итак, продолжает Краусс, если мы можем рассчитать воздействие виртуальных частиц на пустое пространство внутри и вокруг атомов, можем ли мы рассчитать воздействие виртуальных частиц на само пустое пространство? Расчёт расположения атомных энергетических уровней, включая виртуальные частицы, показал, что оценка этого «пустого» энергетического пространства составляет величину на 120 порядков большую, чем энергия всего остального во Вселенной!

Указанные выше 70 процентов от общей энергии во Вселенной (той самой, которой не хватает «в наличности») пребывает не в какой-либо из форм материи, а, скорее, в самом пустом пространстве«Пустое» пространство, вакуум, по современным научным представлениям, обладает ненулевой энергией, равномерно заполняющим Вселенную. Эту энергетическую плотность принято называть гипотетической «тёмной энергией».

Лоуренс Краусс отмечает: «происхождение и природа тёмной энергии, несомненно, самая большая загадка в фундаментальной физике сегодня. У нас нет глубокого понимания того, как она возникла и почему приняла такие значения, какие она имеет». Кроме того, астрономические наблюдения показывают, что примерно «последние 5 млрд лет стало преобладать расширение Вселенной. Вероятно, что природа этого расширения связана с какой-то базовой особенностью происхождения Вселенной. И все признаки позволяют предположить, что она также будет определять будущее Вселенной».

Но Краусс также задаётся вопросами: откуда изначально взялась вся эта энергия? Как микроскопически малая область стала областью вселенского размера, с материей и излучением, достаточным, чтобы объяснить всё, что мы можем видеть? Более того, если плотность энергии остается одинаковой, то полная энергия в любой области будет расти, поскольку объём области растёт (Вселенная расширяется и пустоты в ней становится больше. Следовательно, и виртуальных частиц, и тёмной материи). Что в этом случае происходит с законом сохранения энергии?

Одним из ответов могут стать рассуждения о влиянии гравитации на материю. Оно предполагает, что «положительная» энергия вещества, такого как материя и излучение, может быть дополнена формой «отрицательной» энергии гравитации, которая просто уравновешивает энергию вещества. То есть «положительная» энергия движения, расширения компенсируется «отрицательной» энергией гравитационного притяжения. Такова особенность именно плоской Вселенной.

«Это может казаться неправдоподобным, – отмечает Краусс, – но на самом деле для многих из нас в этом состоит суть очарования плоской Вселенной».

 

Почему есть «ничто»

Теперь давайте вернёмся к тому, с чего начали. С нарисованной нами картины: одинокая планета в конце времён и её жители, пребывающие в блаженной уверенности, что их мир неподвижен и расположен в центре сущего.

Картина такого будущего, по словам Краусса, по сравнению с нашим временем, открывающим для астрономии всё многообразие и грандиозность Вселенной, будет довольно скучна.

Все галактики, изобилие которых мы сегодня наблюдаем в телескоп, в будущем начнут удаляться от нас быстрее скорости света. Парадокс сверхсветовой скорости разрешается тем, что расстояние, на которое космические объекты отделены от нас, настолько велико, что свет просто не успеет дойти, т.к. расширяется само пространство. А поскольку, как было отмечено вначале, все галактики и звёзды взаимоудаляются, скорость света не сможет компенсировать скорость расширения пространства плюс расстояние от источника света до нас.

Галактики и звёзды со временем погаснут на небосклоне, как будто их никогда и не было. Реликтовое излучение, пронизывающее весь космос как след Большого Взрыва, ослабнет до исчезающе малой величины.

Астрономы, живущие «в конце времён», будут просто бессильны что-либо увидеть.

Добавим от себя, что, возможно, научной будет считаться картина мира с неизменной, статичной и практически пустой Вселенной, а настоящей фантастикой – расширяющийся, населённый галактиками космос, возникший из сингулярности.

Но что же с пустотой, с тем самым «ничто»?

Лоуренс Краусс подводит следующие итоги:

  • Пустое пространство может иметь внутри себя ненулевую энергию, даже в отсутствие какой-либо материи или излучения. Когда заканчивается инфляцияИнфляция — в Инфляционной модели Вселенной так называют процесс расширения, начавшийся в момент Большого Взрыва ,энергия, запасенная в пустом пространстве, превращается в энергию реальных частиц и излучения. Виртуальные частицы как бы объективируются в «реальный» мир, задерживаются, застревают в нём, приобретая стабильность во времени.
  • Энергетика пустого пространства в присутствии гравитации совсем не такая, как мы предполагали, руководствуясь здравым смыслом, пока не обнаружили основополагающие законы природы. Когда мы принимаем во внимание динамику гравитационной и квантовой механики, мы видим, что этот интуитивный, привычный взгляд уже неверен. Наука заставляет нас пересмотреть то, что имеет смысл для устройства Вселенной, а не наоборот, для нас.

Пустое пространство сложно для понимания. Это кипящее варево виртуальных частиц, которые появляются и исчезают за время столь короткое, что мы не можем видеть их непосредственно.

  • Можно предполагать, что эволюция энергии во Вселенной происходит путём материализации энергии пустого пространства, вакуума, «ничто» в виде создания частиц. Первым этапом было событие, которое мы рассматриваем как «Большой Взрыв».

В этом случае ответом на древний вопрос, уходящий к Пармениду и Платону «Почему существует нечто, а не ничто?», может быть: «ничто» нестабильно, оно потенциально вселенными.

 

Однако, в пику Крауссу, так и подмывает заметить, что его «ничто», — хотя он неоднократно подчёркивает как раз противоположное и активно его защищает, — это вовсе и не «ничто», но некое нечто, «замаскированный» вид бытия, который проявлен нам в виде виртуальных частиц и «тёмной материи». Это совсем не пустота и совсем не отсутствие всего, что только может быть. Хотя Краусс настойчиво предлагает нам именно такое «ничто», восходящее к Платону – отсутствие всего, что только возможно. Однако вряд ли такое «ничто» можно было бы вообще помыслить. Помысленное уже есть нечто. Поэтому хорошо бы на него только намекать, а в лучшем случае молчать о нём по-буддийски.

 

Лоуренс Краусс заключает книгу вопросом: можем ли мы согласиться с таким «ничто» и смириться с ним? И отвечает: конечно, если признать очевидный факт, что природа умнее, чем философы или богословы. Возникновение «всего из ничего» – не игра слов и фантазии, а реальность, законы которой мы, вопреки привычному «здравому смыслу», только начинаем приоткрывать.

По материалам книги Лоуренса Краусса «Вселенная из ничего»

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.



Обозреватель:

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: