Как из ничего произошла вселенная. Из ничего ничто не возникнет

Эта цитата из Короля Лира * в одной фразе обобщает ряд глубоких идей, средневековых и более новых. Среди них:

а. Закон сохранения вещества и обратный ему. По этому закону, нельзя ожидать, что в лаборатории возникнет новое вещество. (Лукреций сказал: «Никакая божественная сила не может создать нечто из ничего».)

б. Закон сохранения энергии и обратный ему. По этому закону, нельзя ожидать, что в лаборатории возникнет новая энергия.

в. Доказанный Пастером принцип, согласно которому нельзя ожидать, что в лаборатории возникнет живое существо.

г. Принцип, согласно которому никакой новый порядок или закономерность не могут быть созданы без информации .

Обо всех этих и других запретах можно сказать, что это скорее правила ожидания, чем законы природы. Они столь близки к истине, что любые исключения представляют чрезвычайный интерес.

Самое интересное заключено в отношениях между этими фундаментальными запретами. Например, как мы теперь знаем, между сохранением энергии и сохранением вещества существует связь, в силу которой каждый из этих запретов отрицается при переходе вещества в энергию и, как можно предполагать, при переходе энергии в вещество.

Но более всего нас будет сейчас интересовать последний из этих принципов – утверждение, что в области коммуникации, организации, мышления, обучения и эволюции «из ничего не выйдет ничего» без информации .

Этот закон отличается от законов сохранения энергии и вещества тем, что не содержит запрета на уничтожение и потерю информации, паттерна или отрицательной энтропии. К сожалению (или счастью) паттерны и информация слишком легко уничтожаются случайными событиями. Если можно так выразиться, сообщения и указания, по которым строится порядок – это надписи на песке или на поверхности воды. Почти любое воздействие, даже малейшее броуновское движение их уничтожает. Информация может быть забыта или искажена. Кодировка может быть утеряна.

Сообщения перестают быть сообщениями, если их никто не может прочесть. Без розеттского камня мы не прочли бы ничего написанного египетскими иероглифами. Они остались бы не более чем изящными орнаментами на папирусе или на камне. Чтобы закономерность приобрела смысл – или хотя бы распознавалась как паттерн – она должна быть дополнена другими закономерностями или, может быть, навыками. И эти навыки так же эфемерны, как сами паттерны – они тоже написаны на песке или на поверхности воды.

Происхождение навыка реагировать на сообщение – это дополнительная, оборотная сторона эволюции. Это коэволюция (см. Словарь).

Как это ни парадоксально, глубокая, хотя и неполная истина, утверждающая, что «из ничего не выйдет ничего», встречается с интересным противоречием, когда мы переходим в область информации и организации: нуль , то есть полное отсутствие какого бы то ни было явного события, может быть сообщением. Личинка клеща взбирается на дерево и притаивается на выступающей ветке. Если она чувствует запах пота, она падает, с некоторой вероятностью упасть на млекопитающее. Но если в течение нескольких недель она не ощущает запаха пота , она падает и взбирается на другое дерево.

Если вы не написали письма, не принесли извинения, не накормили кошку – все это может быть достаточным и эффективным сообщением, потому что нуль, помещенный в контекст , может приобрести смысл; а контекст создает тот, кто воспринимает сообщение. Умение создавать контекст – это его способность, а формирование этой способности – это его половина упомянутой выше коэволюции. Он должен приобрести эту способность посредством обучения или удачной мутации, то есть в результате удачного использования случайностей. В некотором смысле, получатель сообщения должен быть готов к требуемому открытию, когда оно придет.

Итак, не исключено, что стохастический процесс не подчиняется принципу, гласящему, что «из ничего не выйдет ничего» без информации. Средством, способным выбирать компоненты случайного, превращая их тем самым в новую информацию, может служить готовность . Но для этого необходимо всегда иметь источник случайных явлений, из которого можно было бы извлечь новую информацию.

Это обстоятельство делит всю область организации, эволюции, созревания и обучения на две отдельные области, одна из которых – это область эпигенеза или эмбриологии, а вторая – эволюции и обучения.

Уоддингтон предпочитал называть область своих основных интересов словом эпигенез , употребляя его вместо принятого ранее термина эмбриология . В его термине подчеркивается тот факт, что каждый шаг в развитии эмбриона – это акт становления (по-гречески генезис ), которое должно происходить на основе (по-гречески эпи ) непосредственного status quo ante.* Характерно для Уоддингтона, что он презрительно относится к общепринятой теории информации – по его мнению, она совершенно не учитывает «новую» информацию, возникающую, как он полагает, на каждой стадии эпигенеза. В самом деле, согласно общепринятой теории в этом случае никакой новой информации не добавляется.

В идеальном случае эпигенез должен был бы напоминать развитие сложной тавтологии (см. Словарь), в которой после формулировки аксиом и определений больше ничего не добавляется. Теорема Пифагора уже неявно содержится (т.е. уже заложена) в аксиомах, определениях и постулатах Эвклида. Единственное, что требуется – это извлечь ее, а для этого нам надо в какой-то мере знать последовательность необходимых шагов. Необходимость в такой информации возникает лишь тогда, когда эвклидовская тавтология выражается словами и символами, последовательно упорядоченными на бумаге или во времени. В идеальной тавтологии нет времени, нет развития, и нет никаких противоречий. Тавтология содержит все, что в ней скрыто, но расположено все это, конечно, не в пространстве.

В отличие от эпигенеза и тавтологии, представляющих собой области воспроизводства, существует еще обширная область, включающая в себя творчество, искусство, обучение и эволюцию, где процессы изменения зависят от случайности . Сущность эпигенеза – предсказуемое воспроизводство; сущность обучения и эволюции – исследование и изменение.

При передаче человеческой культуры люди всегда стараются воспроизвести ее как можно точнее, передавая следующему поколению свои навыки и ценности; но эта попытка всегда и неизбежно оканчивается неудачей, потому что в основе передачи культуры – не ДНК, а обучение. Процесс передачи культуры – это некий гибрид или смесь этих двух механизмов. Он неизбежно пытается обеспечить воспроизводство путем обучения, поскольку сами родители все приобрели этим путем. Если бы даже потомок каким-то чудесным образом получил ДНК с навыками его родителей, то эти навыки проявились бы иначе и, может быть, были бы непригодны.

Любопытно, что между этими двумя областями находится культурный феномен объяснения , то есть отображение на тавтологию незнакомых последовательностей событий.

В заключение следует отметить, что более глубокое содержание мира эпигенеза и эволюции выражается двойной парадигмой второго закона термодинамики, гласящего, что 1) случайное действие вероятности всегда разрушает порядок, паттерн и отрицательную энтропию, но 2) в то же время для создания нового порядка требуется воздействие случайности, огромное число неиспользованных возможностей (энтропия). Именно в результате случайностей организмы накапливают новые мутации, и именно из случайностей стохастическое обучение извлекает свои решения. Эволюция ведет к кульминации – экологическому насыщению всех возможностей дифференциации. Обучение ведет к перегрузке мозга. Выживающий вид снова и снова освобождает свои хранилища памяти: чтобы быть готовым к восприятию нового, он возвращается к массовому производству необученных яиц.

• Перевод

Некоторое время назад среди космологов и философов науки началось очень активное обсуждение причин существования Вселенной. Да, мы тут ерундой не занимаемся.

Сначала Лоуренс Краусс выпустил новую книгу "Вселенная из ничего. Почему не нужен Бог, чтобы из пустоты создать Вселенную " (основанную, в частности, на популярной лекции, доступной на YouTube), освещающую этот вопрос с точки зрения современного космолога. Затем Дэвид Альберт, современный философ науки, составил разгромную рецензию книги для New York Times. Это обсуждение с тех пор продолжается: интервью Джерри Койн (на стороне Альберта), блог "Философия космологии " Рутгерса, большое интервью с Крауссом в The Atlantic, комментарии Массимо Пиглюччи , ещё один ответ Краусса на сайте Scientific American.

По личным и научным причинам я тоже собирался вставить своё мнение. Происхождение Вселенной – одна из тем моей работы , а Лоуренс и Дэвид – мои друзья и партнёры по блогу. Статья будет большой, поэтому приведу краткое содержание. Грубо говоря, вокруг проблемы «почему что-то существует?» скапливается два вида вопросов. Один из видов, базирующийся на платформе физических законов, достаточно гибкой для того, чтобы позволить существование «чего-то» или «ничего» (причём в понятие «что-то» могут входить и время и пространство), звучит как: почему в истинном проявлении реальности существует всякое? Другой вид вопросов связан с тем, почему у нас есть данная конкретная платформа физических законов, или вообще нечто под названием «физические законы»?

Лоуренс, упрощённо говоря, обращается к первому виду вопросов, а Дэвида интересует второй, и обе стороны тратят много энергии, настаивая на том, что их вопрос более правильный, вместо того, чтобы признать, что эти вопросы отличаются. Ничто в современной физике не объясняет, почему у нас такие законы, а не другие, хотя физики иногда говорят об этом – и этой ошибки они могли бы избежать, если бы серьёзнее воспринимали философов.

Затем обсуждение быстро скатывается до обвинений и рассуждений не о том, а жаль, поскольку эти люди умные и соглашаются по поводу 95% интересных проблем, и шансы на продуктивный диалог постоянно уменьшаются.

Как работает Вселенная

Поговорим о том, как на самом деле устроена физика, по нашим понятиям. Со времён Ньютона парадигма фундаментальной физики не менялась; в неё входит три части. Первое – «пространство состояний»: по сути, список всех возможных конфигураций, в которых может находиться Вселенная. Второе - определённое состояние, представляющее Вселенную в какой-то момент времени, обычно в текущий. Третье – некое правило, по которому Вселенная развивается во времени. Дайте мне Вселенную на сегодня, и законы физики скажут, что станет с ней в будущем. Такой способ мышления не менее верен для квантовой механики или ОТО или квантовой теории поля, чем для ньютоновой механики или максвелловской электродинамики.

Квантовая механика, в частности - особенная, но очень многосторонняя реализация этой схемы. (Квантовая теория поля – просто определённый пример квантовой механики, а не новый способ мышления). Состояния – это «волновые функции», а набор всех возможных волновых функций определённой системы называется "гильбертовым пространством ". Его преимущество в том, что оно сильно ограничивает набор возможностей (потому что это векторное пространство: замечание для экспертов). Как только вы сообщите мне его размер (количество измерений), вы полностью определите ваше Гильбертово пространство. Это кардинально отличается от классической механики, в которой пространство состояний может стать чрезвычайно сложным. А ещё есть машинка – "гамильтониан " – указывающая, как именно развиваться из одного состояния в другое с течением времени. Повторюсь, что разновидностей гамильтонианов бывает не много; достаточно записать определённый список величин (собственных значений энергии – уточнение для вас, надоедливые эксперты).

Необходимо непредвзято подходить к тому, какую форму примут итоговые законы физики, но почти все современные попытки их вывести принимают квантовую механику за истину. Это верно и для теории струн, и для других подходов к квантовой гравитации – они могут очень сильно отличаться во взглядах на то, из чего состоит «пространство-время» или «материя», но очень редко небрежно обращаются с основами квантовой механики. Это однозначно относится ко всем вариантам, которые рассматривает Лоуренс в своей книге. На этой платформе определение «законов физики» – вопрос выбора гильбертова пространства (для чего, в свою очередь, нужно только определить его размер) и гамильтониана. Одно из прекрасных свойств квантовой механики – насколько она ограничительная; у нас нет большой свободы выбора из видов законов физики. Кажется, что существует большой простор для творчества, поскольку гильбертово пространство может быть очень большим, а простая сущность гамильтониана может быть скрыта нашим усложнённым взаимодействием с окружающим миром, но основной рецепт остаётся неизменным.

Поэтому, что означают разговоры «вселенная из ничего» в рамках этой платформы? Нам по-прежнему необходимо выбрать одну из двух возможностей, но, по крайней мере, этот список из двух пунктов является исчерпывающим.

Возможность первая: время фундаментально

Первая возможность состоит в том, что квантовое состояние Вселенной действительно меняется во времени – то есть, гамильтониан не равен нулю, и он по-настоящему толкает состояние вперёд во времени. Этот случай кажется общим (способов отличаться от нуля больше, чем быть нулевым), и именно на его изучение мы тратим время на вводных курсах, впервые навязывая квантовую механику бесстрашным студентам. Чудесное и недооценённое следствие квантовой механики состоит в том, что если эта возможность окажется верной (Вселенная по-настоящему эволюционирует), время не может начинаться или кончаться – оно продолжается вечно. Совсем не похоже на классическую механику, в которой траектория Вселенной в пространстве состояний может столкнуть её с сингулярностью, в которой время, как предполагается, перестаёт течь. В квантовой механике каждое состояние ничем не хуже любого другого, и эволюция радостно будет продолжать идти.

Так как это относится к вопросу «нечто против ничто»? В процессе эволюции квантового состояния Вселенной она может проходить через фазы, в которых она очень похожа на ничто в общепринятом смысле – то есть, как пустое пространство, или как странная негеометрическая фаза, в которой мы бы вообще не распознали пространство. Позже, посредством неустанного влияния гамильтониана, она может эволюционировать во что-то, что очень похоже на «нечто», даже очень похожее на ту вселенную, что мы видим сегодня. Поэтому если для вас «ничто» – это «пустота» или «отсутствие пространства», то законы квантовой механики дают удобный способ понять, как ничто может превратиться в чудесное нечто, внутри которого мы обнаруживаем себя. Это интересно, и важно, и достойно написания книги, и это одна из возможностей, которую обсуждает Лоуренс.

Возможность вторая: время вторично / приблизительно

Вторая возможность состоит в том, что Вселенная вообще не эволюционирует – гамильтониан нулевой, пространство возможных состояний существует, но мы просто сидим в нём неподвижно, без фундаментального «течения времени». Вы можете решить, что эта возможность логическая, но не правдоподобная; ведь разве мы не видим, как всё вокруг нас всё время меняется? Но именно в эту возможность вы немедленно уткнётесь, если просто возьмёте классическую ОТО и попытаетесь её квантовать (то есть, изобрести квантовую теорию, сходящуюся к ОТО в классическом пределе). Мы не знаем, правильно ли это – Том Бэнкс, к примеру, считает , что нет – но эта возможность существует, поэтому нам надо подумать о том, что это могло бы значить, если бы оказалось правдой.

Мы, конечно, считаем, что ощущаем течение времени, но, может быть, время – вещь вторичная, а не фундаментальная (мне не кажется правильным использование слова «иллюзорный» в этом контексте, но другие не так осторожны). То есть, возможно, существует альтернативное описание этой одной неподвижной точки гильбертова пространства – описание, примерно похожее на «Вселенная эволюционирует во времени», по крайней мере, на какое-то время. Представьте себе брусок металла, находящийся на горячей поверхности, не эволюционирующий во времени, но с температурным градиентом, распределённым сверху вниз. Концептуально возможно поделить этот брусок на слои равной температуры, а затем написать уравнение, показывающее, как состояние бруска меняется от слоя к слою, и обнаружить, что получившийся математический формализм похож на «эволюцию во времени». В этом случае, в отличие от предыдущего, время может кончиться (или начаться), поскольку оно изначально было полезным приближением, допустимым при определённых условиях.

Именно такой вариант имеют в виду такие квантовые космологи, как Джеймс Хартл, Стивен Хокинг, Алекс Виленкин, Андрей Линде и другие, говоря про «создание Вселенной из ничего». В этом представлении в истории Вселенной буквально существует момент, до которого других моментов не существовало. Есть граница времени (предположительно, перед Большим взрывом), до которой не было ничего. Ни вещества, ни квантовой волновой функции; не было ничего предыдущего, поскольку понятие «пред-» не имеет смысла. Это тоже интересно, важно, и об этом стоит написать книгу, и это ещё одна из возможностей, о которых рассуждает Лоуренс.

Почему вообще существует Вселенная?

Итак, современная физика выдала нам две эти идеи, довольно интересные, и отзывающиеся на наше неформальное представление о том, как «нечто появляется из ничего». Одна из них говорит об эволюции от пустого пространства (или не-пространства) во Вселенную, полную всякого, а другая говорит о времени, как о примерном понятии, которое оканчивается на какой-то границе в абстрактном пространстве возможностей.

Так на что же нам жаловаться? Если подумать, то такие рассуждения, если принять некое конкретное определение понятия «ничего», могут объяснить, как Вселенная может возникнуть из ничего. Но они не объясняют, и даже не пытаются объяснить, почему нечто существует – почему эта эволюция волновой функции, или почему даже вся эта система «волновых функций» и «гамильтонианов» будет верным способом рассуждать о Вселенной. И, может, вам не интересны эти вопросы, и никто не вправе отнимать у вас права ими не интересоваться; но если подзаголовок вашей книги гласит «почему существует нечто, а не просто нет ничего», вы, по сути, отказываетесь от права не интересоваться этим.

Помогает ли нам развитие современной физики и космологии подойти к этим вопросам о том, почему вообще существует нечто под названием «вселенная», почему существуют такие вещи, как «законы физики», почему эти законы принимают вид квантовой механики, почему именно такая волновая функция и гамильтониан? Коротко говоря, нет. Мне неясно, как они бы могли это сделать.

Иногда физики притворяются, что отвечают на эти вопросы, что очень плохо, поскольку они просто ленятся и не пытаются тщательно подумать об этой проблеме. Вы, к примеру, можете услышать заявления о том, что наши законы физики могут оказаться единственным видом мыслимых законов или простейшим из возможных. Но это явно не так. В рамках платформы квантовой механики существует бесконечное количество возможных гильбертовых пространств и бесконечное количество возможных гамильтонианов, каждый из которых определяет совершенно допустимый набор законов физики. А правильным может быть только один из них, поэтому абсурдно утверждать, что наши законы могут быть единственными возможными.

Призывы к простоте тут тоже не помогают. Вселенная могла бы быть единственной точкой, не меняющейся во времени. Или единым осциллятором, бесконечно колеблющимся туда и сюда. Это было бы очень просто. Как-нибудь может появиться некое определение простоты, по которому наши законы окажутся простейшими, но всегда будут другие, по которым они не такие. В любом случае, мы тогда могли бы задать вопрос, почему законы должны быть простыми? Точно так же заявление «возможно, где-нибудь реальны все физические законы» не отвечает на наш вопрос. Почему реальны все физические законы?

А иногда, с другой стороны, современные космологи говорят о других законах физики в контексте мультивселенной, и предполагают, что нам виден один набор законов, а не другой, по фундаментально антропным причинам. Но это, опять-таки, простая неаккуратность. Мы говорим о низкоэнергетическом проявлении базовых законов, но эти базовые законы одинаковы по всей мультивселенной. У нас всё равно остаётся вопрос о существовании этих глубинных законов, создающих мультивселенную.

Конец объяснений

Все эти вопросы интересно задавать, и не на один из них не отвечает современная физика или космология. Или, по крайней мере, их интересно поднимать, но с моей точки зрения, лучшим ответом будет быстро опустить их обратно. К этому моменту, заметьте, мы уже пришли к чисто философской, а не научной, проблеме.

Вопросы «почему» не существуют в пустоте; они имеют смысл в некоем объяснительном контексте. Если мы спрашиваем «почему курица перешла дорогу?» [популярная тема коротких анекдотов / прим. перев.], мы понимаем, что существуют такие вещи, как дороги, у них есть особые свойства, и у вещей по имени «курицы» есть разные цели и мотивации, и есть вещи, существующие с другой стороны дороги или другие преимущества её перехода. Только в этом контексте можно предложить осмысленный ответ на вопрос «почему». Но Вселенная и законы физики не встроены в какой-то более крупный контекст. Это уже самый крупный из существующих контекстов, насколько мы знаем. Нет ничего плохого в том, чтобы признать, что последовательность объяснений где-то обрывается, и единственным оставшимся объяснением может быть «просто так всё устроено».

Ну, или нет. Мы должны быть хорошими эмпириками и быть открытыми к возможности того, что то, что мы считаем Вселенной, существует в некоем большем контексте. Но тогда мы, вероятно, переопределим это, как вселенную, и останемся с теми же вопросами. Пока вы признаёте, что у Вселенной есть более одного мыслимого способа существовать, у цепочки объяснений всегда будет конец. Я могу и ошибаться, но настаивать на том, что «вселенная должна объяснить себя», довольно безосновательно.

Звуки и фурии

Вот, что я могу сказать по поводу этих интересных вопросов, но у меня не хватает сил удержаться от парочки замечаний по процедурным моментам.

Во-первых, я думаю, что книга Лоуренса имеет гораздо больше смысла как часть популярных споров «атеизм против теизма», а не как просто тщательное философское исследование старой проблемы. Послесловие к книге написал Ричард Докинз , а изначально Лоуренс просил об этой услуге Кристофера Хитченса , пока тот ещё не был сильно болен – и оба этих человека, хотя и очень умные, не являются ни космологами, ни философами. Если вы задались целью отвергнуть заявления о необходимости существования (или полезности) Творца в рамках космологической схемы, тогда приведённые рассуждения по поводу «создания из ничего» действительно приходятся к месту. Физическая вселенная прекрасно может быть самодостаточной; ей не нужно ничего и никого снаружи для её запуска, даже если у неё и было «начало». Это не отвечает на классический вопрос Лейбница, но практически нет сомнений в том, что этот факт является примечательным свойством современной физики и имеет интересные последствия для фундаментальной космологии.

Во-вторых, после выхода обзора от Дэвида, Лоуренс неудачно обрушился с критикой на «идиотских философов» и на всю философию в целом, вместо того, чтобы продолжать вести осмысленную дискуссию по интересующим вопросам. Как большинство учёных, Лоуренс мало что получает от философии науки. Но цель философии не в том, чтобы быть полезной науке, не более, чем у микологии – быть полезной грибам. Философы науки не пытаются заниматься наукой, они пытаются понять, как работает наука, и как она должна работать, выбрать логику и стандарты, лежащие в основе научной аргументации, разместить научное знание в рамках более широкого эпистемологического контекста, и сделать много чего ещё интересного, не притворяющегося наукой. А если вам это не интересно, ну и ладно. Но не стоит пытаться подорвать законность существования области выпадами в её сторону – это глупо и не интеллектуально, и представляет как раз то самое нежелание уважительно спорить с исследователями из другой области, о котором мы сожалеем, когда речь заходит о науке. Жаль, что умные люди, соглашающиеся по поводу большей части важных вещей, не могут не согласиться по поводу всего остального, не размениваясь на оскорбления. Мы должны пытаться быть выше этого.

Теги:

• вселенная
• рождение вселенной
• существование вселенной
• космология

Добавить метки

Я.Б. Зельдович, ВОЗМОЖНО ЛИ ОБРАЗОВАНИЕ ВСЕЛЕННОЙ ИЗ НИЧЕГО?

Якова Борисовича Зельдовича нет нужды представлять читателям "Природы". Автор фундаментальных работ в области физической химии, теор ии элементарных частиц, ядерной физики, астрофизики и космологии, он, кроме того, был еще и блестящим популяризатором, ярко, живо и образно рассказывающим в своих популярных книгах и статьях о наиболее "горячих" проблемах современной науки. В последние годы особое внимание он уделял релятиви стской астрофизике и космологии. Именно в это время им написаны для нашего журнала статьи "Черные и белые дыры" (совместно с А.А. Старобинским и И.Д. Новиковым; 1976, № 1); "Современная космология" (1983, № 9); "Почему расширяется Вселенная!" (1984, № 2). Продолжает эту тематику и последняя его статья "Возможно ли образование Вселенной "из ничего?". Послесловие к ней написал академик А.Д. Сахаров.

ВСЕЛЕННАЯ

Размеры окружающей нас Вселенной и, даже более скромно и более точно, размеры исследованной нами части Вселенной, далеко превышают человеческое воображение.

Древним людям трудно было представить себе, что Земля - это шар. Сегодня, когда самолеты без посадки пролетают многие тысячи километров, в век космических полетов, радио и телевидения (и в век межконтинентальных ракет с ядерным зарядом, к сожалению) Земля представляется маленьким хрупким шариком. Не удивляет нас и расстояние до Солнца - 150 млн км, так называемая астрономическая единица. Однако расстояние от Солнечной системы до центра Галактики (около 10 кпк = 3 10 22 см) в два миллиарда раз больше расстояния от Земли до Солнца. В свою очередь, расстояние, на котором еще удается наблюдать яркие галактики, порядка нескольких тысяч мегапарсек - еще почти в миллион раз больше расстояния от Солнца до центра нашей Галактики. Если это наибольшее расстояние уменьшить в 10 15 раз, т. е. примерно до 1 а. е., то Солнечная система уменьшится до масштаба пылинки размером меньше миллиметра...

Так же, как и линейный масштаб, т. е. размер Вселенной, невообразимо велико и количество вещества, с которым мы имеем дело. Масса Земли около 6 10 27 г. Масса Солнца около 2 10 33 г, т. е. в 300 тыс. раз больше. Галактика имеет массу порядка 2 10 11 масс Солнца. В наблюдаемой нами области Вселенной суммарная масса очень грубо, по порядку величины, оценивается как 10 55 г, т. е. порядка 10 22 масс Солнца.

Человек, живо и наглядно ощущающий всю огромность пространства и массы, открывающихся современным телескопам, не может остаться равнодушным. Соответствующие величины потрясают воображение настолько, что ощущаешь головокружение. Первым, естественным следствием этого потрясения является отвращение к теор ии расширяющейся Вселенной. Неужели все великолепие и громадность Вселенной когда-то умещалось в шаре размером в несколько сантиметров? И еще более диким кажется вопрос: неужели все сущее, все наблюдаемое могло образоваться буквально "из ничего"?

В предлагаемой статье я сознательно ограничусь узкой постановкой вопроса. Обсудим только, не противоречит ли это предположение - образование Вселенной "из ничего"- каким-либо твердо установленным общим законам природы. Иногда ведь самый общий "закон сохранения" так и формулируют: "из ничего не может получиться ничего". Такую формулировку я с порога отвергаю - она наивна и ненаучна. Есть закон сохранения энерги и. Есть, например, еще закон сохранения электрического заряда. Мы проверим выполнение этих четко физически сформулированных законов, а также обсудим существование и выполнение других подобных, более или менее твердо установленных физических законов.

Чтобы не превращать эту статью в полный курс космологии, мы не будем исследовать подробно строение Вселенной, закон ее расширения и полный сценарий ее эволюции.

Можно привести такую житейскую аналогию: представьте себе, что к Вам пришел изобретатель с каким-то чудесным двигателем или генератором электрического тока. Разумный шаг эксперта состоит в том, что выясняется вопрос, не принесли ли Вам проект "вечного двигателя" (реrpetuum mobile). Давно уже действует обычай с порога отвергать без детального рассмотрения такие проекты. "Perpetuum mobile" нарушает закон сохранения энерги и, значит, где-то в проекте содержится ошибка. Выяснение конкретной ошибки уже не интересно никому, кроме самого изобретателя.

Подойдем с такой же меркой к вопросу о возникновении Вселенной "из ничего". Противоречит ли это предположение законам физики? Возможно ли это, можно ли будет (если не сейчас, то в будущем) создать непротиворечивую, правильную теор ию этого, поистине самого грандиозного явления?

СОХРАНЕНИЕ ЗАРЯДОВ

Начнем с закона сохранения электрического заряда. Ответ лежит на поверхности, он очевиден: нет никакого запрета на рождение электронейтральной Вселенной, т. е. Вселенной, содержащей равное число положительных и отрицательных зарядов. Есть все основания думать, что именно такова наша Вселенная. В противном случае возникли бы сильные электрические поля, которые нарушили бы ее (Вселенной) однородность и изотропию. Итак, Вселенная, скорее всего, строго нейтральна, а значит, вполне могла родиться "из ничего" (без противоречия закону сохранения электрического заряда).

Обратимся к закону сохранения барионного заряда. Напомним, что во всех известных процессах, происходящих в лаборатории, суммарное число протонов и нейтронов не меняется. В частности, радиоактивность ядер проявляется либо как перегруппировка протонов и нейтронов, либо как превращение протонов в нейтроны и обратно.

Так, при испускании g -лучей (т. е. фотонов) перегруппировка происходит при переходе данного ядра из энергетически возбужденного состояния в основное или в состояние с меньшей энерги ей возбуждения. При a -распаде ядра часть протонов и нейтронов материнского ядра остаются в дочернем ядре, а другие вылетают в виде ядра гелия (два протона и два нейтрона). В b -распаде быстрый электрон (b -частица) и нейтрино рождаются при превращении нейтрона в протон. Есть и обратный процесс испускания позитрона (p = N+e + + n e ) при превращении протона в нейтрон, но такой процесс идет лишь в том случае, если протон находится в ядре и после превращения нейтрон занимает более низкое энергетическое состояние.

Свободный протон легче свободного нейтрона, поэтому свободный нейтрон b -радиоактивен; свободный протон стабилен, нестабильным он бывает только внутри некоторых ядер.

Итак, к концу 40-х годов закон сохранения барионов формулировался просто: сумма числа протонов и нейтронов не меняется. Затем последовало открытие так называемых странных частиц. Сперва они были открыты в космических лучах, а позже очень подробно исследованы в лаборатории на ускорителях. Они нестабильны, образуются из протонов или нейтронов и при распаде снова дают протоны или нейтроны.

Так, например: p + N = D + K+ + N (D - странный гиперон, К - странный мезон). Странными эти частицы были названы потому, что при сравнительно большой вероятности образования за очень короткое время столкновения они имеют довольно большое время жизни, 10 -8 -10 -10 с.

В начале 50-х годов были открыты так называемые барионные резонансы. Рассеяние л-мезонов на протонах и нейтронах зависит от энерги и в соответствии с тем, что эти две частицы сперва сливаются в одну, которая потом снова распадается. Так, например:

После этих открытий закон сохранения барионов усложнился: сохраняется сумма

B = p + N + D + S + ... + D ++ + D + + D 0 + D - + ... = const

или, иными словами, сохраняется общее количество барионов (Здесь D, S , ... - странные барионы; многоточие заменяет перечисление всех странных барионов - от D ++ до D - , самых легких барионных резонансов, а повторное многоточие заменяет перечисление всех резонансов.).

В 1955 г. были, наконец, экспериментально открыты антипротоны. Теор етически существование античастиц - антибарионов - было предсказано вскоре после предсказания и обнаружения антиэлектронов, т. е. позитронов. Однако энерги я, нужная для рождения пары протон-антипротон в 2000 раз больше, чем для пары электрон-позитрон, поэтому между двумя открытиями возник интервал в четверть века. В это время у некоторых ученых нервы не выдерживали и высказывались сомнения относительно существования антибарионов; теперь для этих сомнений нет места!

Итак, в окончательной форме закона сохранения барионного заряда: сохраняется разность числа барионов и антибарионов.

За последние 20 лет показано, что барионы состоят из 3 кварков. Антибарионы состоят из антикварков. Соответственно, барионный заряд и закон его сохранения на языке кварков формулируется так:

3В = S q i - S q" k = const,

где S q i - число кварков i-ro сорта; S q" k - число антикварков k-ro сорта; сумма берется по всем сортам.

Закон сохранения барионного заряда необычайно важен как для Вселенной в целом, так и для непосредственно окружающего нас современного мира. С учетом этого закона данное количество барионов можно использовать для производства энерги и, только переводя их в наинизшее энергетическое состояние, а именно в ядра железа *. Отсюда следует, что энерги ю можно получить, либо превращая уран в ядра середины таблицы Менделеева, либо превращая водород в железо.

* Имеется в виду, что в ядрах железа энерги я связи нуклонов максимальна. (Прим. ред. )

Первый процесс успешно осуществляется на атомных электростанциях. Второй происходит в звездах. В несколько измененной форме (начиная не с начала и не доходя до конца) второй процесс реализуется при слиянии ядер дейтерия и трития с образованием 4 Не и нейтрона и в будущем станет источником термоядерной энерги и на Земле. Но общим для обоих процессов является использование малой доли - менее 1 % - полного запаса энерги и горючего.

Полный запас энерги и, следуя закону эквивалентности Эйнштейна Е = Мс 2 , равен 9 10 13 Дж на 1 г вещества.

Отмена закона сохранения барионного заряда означала бы принципиальную возможность прямого распада протона р = е - + энерги я или р = е + + энерги я.

Итак, протон - свободный или связанный в ядре - мог бы быть нестабильным и распадаться с выделением огромной энерги и, если бы не было закона сохранения барионного заряда. Огромное современное значение этого закона сохранения очевидно.

То же относится и к рождению Вселенной “из ничего”.

Барионный заряд “ничего”, очевидно, равен нулю. Если барионный заряд сохраняется, то вся Вселенная, родившаяся “из ничего”, должна иметь нулевой барионный заряд, т. е. равное количество вещества и антивещества. Так и думали те, кто первыми в начале 60-х годов высказывали идею рождения Вселенной. Они полагали, что рождается Вселенная с равным количеством барионов и антибарионов, т. е. с равным количеством вещества и антивещества. Но если вещество и антивещество в равном количестве равномерно размещены в пространстве (т. е. их плотность одинакова в каждой точке), то при охлаждении они полностью аннигилируют. К тому же нет механизма, который мог бы их разделить; тяготение стягивает вещество и антивещество одинаково.

Рождение Вселенной такой, какой мы ее наблюдаем, возможно лишь в том случае, если закон сохранения барионного заряда может быть нарушен *. Не повторяя увлекательную, но сложную трактовку вопроса, резюмируем посвященные ему статьи.

* О возможном нарушении этого закона и экспериментальном поиске нарушения подробнее см: Зельдович Я. Б., Долгов А.Д. Вещество и антивещество во Вселенной // Природа. 1982. № 8. С. 33-45; Березинский В. С. Объединенные калибровочные теор ии и нестабильный протон // Природа. 1984. № 11. С. 24-38.

Электрический заряд обязан сохраняться постольку, поскольку справедливы уравнения Максвелла, не допускающие несохранения этого заряда. Иными словами, связь электрического заряда с электромагнитным полем автоматически приводит к сохранению электрического заряда.

Однако не существует поля, которое играло бы подобную роль в случае барионного заряда. Убежденность в сохранении барионного заряда основывалась только на эксперименте.

Каждый эксперимент по необходимости имеет ограниченную точность. Абсолютизируя результаты опыта, физики до 60-х годов молчаливо предполагали, что в мире элементарных частиц не должно быть слишком больших количественных различий.

Когда нейтрон распадается, превращаясь в протон (b -распад), среднее время распада около 1000 с. Казалось, что природа (с маленькой буквы, т. е. не тот уважаемый журнал, где будет помещена данная статья) должна выбирать между двумя крайностями: либо сравнительно быстрый распад, по аналогии с (b -распадом нейтрона, либо совсем никакого распада, как в случае абсолютно стабильного электрона. Третий - промежуточный - случай медленного распада до 60-х годов казался неэстетичным и крайне маловероятным.

Вкусы изменились, увеличилась храбрость теор етиков, выступающих в настоящее время под лозунгом: все, что не запрещено, существует, и в частности протон может распадаться.

Однако положение и сейчас остается драматическим: усилиями экспериментаторов нижняя граница времени жизни протона доведена до 10 32 лет, но распад все еще не обнаружен. Экспериментальная ситуация подробно описана В. С. Березинским *.

* См. предыдущую сноску.

В его статье не хватает только одного соображения: сегодня убежденность в несохранении барионного заряда основывается в значительной степени на том, что Вселенная содержит вещество и не содержит антивещества. При этом приходится привлекать еще различие свойств частиц и античастиц, а также нарушение термодинамического равновесия, возникающее вследствие расширения Вселенной. (Впервые это отмечено в работе А. Д. Сахарова в 1967 г. *).

* Сахаров А. Д. Нарушение СР-инвариантности, С-асимметрия и барионная асимметрия Вселенной // Письма в ЖЭТФ. 1967. Т. 5. С. 32-35. (Прим. ред. )

Из оценок в таких теор иях с несохранением барионного заряда получается, что число протонов и нейтронов в миллиард раз меньше числа фотонов или нейтрино. Главное же состоит в том, что сейчас ясно понято различие между электрическим и барионным зарядами. Кроме того, физическая общественность в целом (или, во всяком случае, физики-теор етики) избавились от страха перед большими числами. Если время жизни протона 10 40 лет (что, по-видимому, на очень многие годы останется недоступным для проверки в прямых экспериментах), то понадобится предположение о процессах в горячей Вселенной, идущих при температуре порядка 10 17 ГэВ (10 30 К), столь же недоступной для ускорителей *. Пока не видно, какие косвенные опыты могли бы дать ответ.

* Время жизни протона t р обратно пропорционально четвертой степени массы тяжелого бозона М x 4 в теор ии "Великого объединения". Поэтому если при М x ~ 10 15 ГэВ t р ~10 31-37 лет, то при М x ~ 10 17 ГэВ t р ~10 39-40 лет. (Прим. ред. )

Возникла ситуация, которую высоко ценят астрономы: именно астрономические данные указывают путь физикам, как это было со скоростью света и законом тяготения Ньютона. Существование Вселенной, заполненной веществом, является пока единственным, но очень веским доказательством несохранения барионного заряда!

СОХРАНЕНИЕ ЭНЕРГИ И

Обратимся к закону сохранения энерги и для Вселенной как целого. Напомним, что энерги я покоящейся частицы эквивалентна ее массе, Е = Мс 2 . Сохранение энерги и покоя - это есть и сохранение массы.

Немного истории: Дж. Дальтон и У. Праут обратили внимание на то, что многие атомные веса выражаются целыми числами. Отсюда, естественно, последовала гипотез а, что все ядра сложены из одинаковых единичных кирпичиков. Однако тот факт, что заряд ядра не пропорционален его весу, привел к выводу, что есть две модификации таких кирпичиков - протоны и нейтроны, отличающиеся зарядом при почти одинаковой массе. Здесь мы несколько отклонились от исторической последовательности, опустив мрачный период, когда ядра строили из протонов и электронов. Грубо говоря, электроны (в силу соотношения неопределенности) не влезают, не помещаются в ядре. Первые правильные идеи о существовании нейтронов высказывались в-виде гипотез ы еще в начале 20-х годов, научное доказательство существования нейтронов пришлось на 30-е годы, а в 1945 г. были Хиросима и Нагасаки. В очень кратком изложении мы опустили открытие изотопов и весьма точное определение атомных весов отдельных изотопов.

В итоге, с одной стороны, подтвердилась теор ия единообразного строения ядер из протонов и нейтронов, с другой стороны, первый аргумент в ее пользу - целые атомные веса изотопов - оказался неточным. Такова диалектика развития науки. Но теперь неточность целых весов изотопов приобрела другой, тоже глубокий смысл .

Из того факта, что вес одного атома гелия на 0,6 % меньше веса четырех атомов водорода, астрономы сделали вывод, что водород превращается в гелий в недрах звезд и при этом 0,6 % массы (0,006 с 2 = 5,4 10 18 эрг/г) превращается в энерги ю излучения звезд. Особенно стоит подчеркнуть, что вывод этот был сделан задолго до того, как развитие ядерной физики показало конкретные пути такого превращения".

Этот экскурс в ядерную физику нужен нам был для того, чтобы сказать, что и энерги я тяготения, выделяясь в том или ином виде, также приводит к уменьшению массы целого по сравнению с массой совокупности частей. Масса нейтронной звезды на 10-15 % меньше суммы масс составляющих ее частиц. Именно эта разность масс является источником энерги и взрыва сверхновой, который сопровождает образование нейтронной звезды, даже несмотря на то, что очень большую долю этой энерги и уносят нейтрино.

Наверное, не случайно В. Гейзенберг - один из крупнейших физиков нашего века - озаглавил свою автобиографию "Часть и Целое" (Der Teil und das Ganze). Появление новых свойств у целого при сложении частей - один из глубочайших вопросов науки,

Еще раньше в замечательной книге Л. Д. Ландау и Е. М. Лифшица "Теор ия поля" проводилось точное и строго формальное доказательство того, что масса (а значит, и энерги я) замкнутого мира тождественно равна нулю. Предыдущие рассуждения позволяют понять это утверждение наглядно. Отрицательная гравитационная энерги я взаимодействия частей точно компенсирует положительную энерги ю суммы всех частей, всего вещества. Общая теор ия относительности, связывающая тяготение и геометрию, доказывает, что точная компенсация происходит тогда и именно тогда, когда становится замкнутым пространство, в котором находится вещество.

Итак, общая теор ия относительности устраняет последнее препятствие на пути рождения Вселенной "из ничего". Энерги я "ничего" равна нулю. Но и энерги я замкнутой Вселенной равна нулю. Значит, закон сохранения энерги и не противоречит образованию "из ничего" замкнутой Вселенной (но именно геометрически замкнутой, а не открытой бесконечной Вселенной).

АСТРОФИЗИЧЕСКИЕ ВЫВОДЫ. НУЖНА ЛИ ПУЛЬСИРУЮЩАЯ ВСЕЛЕННАЯ?

Астрофизические следствия замкнутости Вселенной подробно рассмотрены в моей предыдущей статье в "Природе" *.

* Зельдович Я. Б. Современная космология // Природа. 1983. № 9. С. 11-24. (Прим. ред. )

Первое следствие состоит в том, что общая плотность всех видов материи должна быть достаточно велика; таким образом, появляется дополнительный аргумент в пользу каких-то форм "скрытой массы", поскольку плотность обычных хорошо известных форм массы (протонов, ядер, электронов, фотонов) недостаточна.

Второй вывод заключается в том, что наблюдаемое в настоящее время расширение Вселенной должно в будущем смениться сжатием - рано или поздно, притом, вероятно, скорее очень поздно, даже по сравнению с сегодняшним возрастом Вселенной *.

* Отметим, впрочем, вариант, указанный в моей статье в "Природе" (1984. № 2): возможно, космологическая постоянная не равна нулю и имеет такой знак, что заменяет часть массы. Тогда расширение продолжается неограниченно, мир не "замкнут" по оси времени (есть рождение, нет общего коллапса), несмотря на его пространственную замкнутость.

Зависимость радиуса замкнутой Вселенной а от времени] " теор ии циклической эволюции.
В точке А (радиус минимален) происходит переход от сжатия к расширению,
в точке В (радиус максимален) расширение сменяется сжатием.

Идея замкнутого мира, сперва расширяющегося, а потом сжимающегося, наталкивала многих ученых на гипотез у пульсирующей вечной Вселенной. Дело оставалось за малым - в переносном и буквальном смысл е слова: понятно, как происходит остановка и смена расширения сжатием при большом (максимальном) радиусе Вселенной, осталось понять, как происходит переход от сжатия к расширению при малом (минимальном) радиусе. Популярность идеи вечной (в прошлом!) Вселенной возросла, когда было осознано, что при учете поляризации вакуума кривизной пространства (сильным гравитационным полем) или за счет гравитационного поля, источником которого является скалярное поле с неравной нулю массой, действительно существуют формально правильные строгие решения * типа

с минимальным радиусом 1/Н 0 порядка 10 -28 см. Эти решения формально существуют и в классической теор ии. Какие аргументы можно выдвинуть против этих решений?

* Решения такого типа называются инфляционными. (Прим. ред. )

Зависимость радиуса Вселенной а от времени t в теор ии циклической эволюции при учете роста энтропии. Современное состояние Вселенной описывается точкой В, t 0 - необходимое "начало".

Лично мне наиболее существенным возражением представляется сама возможность рождения Вселенной "из ничего". Идея вечной Вселенной казалась неизбежной (можно было спорить только о способе, в частности классическом или квантовом, перехода от сжатия к расширению), до тех пор пока казалось, что энерги я и барионный заряд - вечные, сохраняющиеся и притом не равные нулю величины. От гипноза этих идей мы освободились. Если гипотез а вечной Вселенной не обязательна, то можно обратиться к деталям, касающимся теор ии циклической эволюции.

Еще в 30-е годы был выдвинут серьезный термодинамический аргумент против вечной циклически повторяющейся Вселенной. В ходе каждого цикла энтропия растет *. Это приводит к тому, что амплитуда каждого следующего цикла больше амплитуды предыдущего. Обращая этот аргумент в прошлое, можно сделать вывод, что конечно общее число циклов, начиная с первого цикла с нулевой энтропией. Но в таком случае цель не достигнута - циклически эволюционирующая Вселенная все равно оказывается существующей конечное время, т. е. нуждается в "начале".

* Существует точка зрения, согласно которой при смене расширения сжатием одновременно рост энтропии сменяется ее уменьшением. При этом еще упоминают мист ическое изменение направления "стрелы времени". Влияние общего медленного расширения или сжатия на конкретные процессы, происходящие с частицами или в звездах, представляется совершенно не физическим, никак не обоснованным.

В самое последнее время вместе с В. А. Белинским, Л. П. Грищуком и И. М. Халатниковым мы анализировали расширение и сжатие Вселенной, заполненной массивным когерентным скалярным полем *.

* Белинский В. А., Грищук Л. П., Халатников И. М., Зельдович Я. Б. // ЖЭТФ. 1985. Т. 89. С. 346-355. (Прим. ред. )

Аналогичные расчеты проводились и ранее, но, может быть, с менее четкими выводами. Не вдаваясь в подробности, привожу результаты. В зависимости от того, является ли скалярное поле j почти статичным (mj 2 >>hj " 2 ) или быстроменяющимся и почти безмассовым (mj 2 <j " 2 ), меняется соотношение между давлением и плотностью энерги и (здесь h = 10 -14 Дж с - постоянная Планка, штрих - производная j по времени). В первом случае р = -e , имеет место гравитационное отталкивание, во втором случае, когда давление максимально велико, р = +e - гравитационное притяжение.

В принципе, и при сжатии, и при расширении могут иметь место оба случая. Однако при сжатии устойчивым является второй режим, р = +e - давление поля сопротивляется сжатию. В таком случае классическое решение приводит в сингулярность, радиус Вселенной обращается в нуль, кривая сжатия утыкается в ось абсцисс. Решения с плавным переходом от сжатия к расширению оказываются исключительными, маловероятными. Но дело даже не в детальном исследовании кривых. Более важен анализ тех предположений, которые приходится делать в ходе решения задачи.

Сингулярное сжатие Вселенной при положительном давлении р = + e .
Закон сжатия одинаков для замкнутого, плоского и открытого мира: a ~ (t 0 -t) 1/3
(следует иметь в виду, что t <= t 0 ).

Мы рассматриваем строго однородное скалярное поле и строго однородную и изотропную Вселенную. Однородность означает одинаковость, эквивалентность всех пространственных точек в один и тот же фиксированный момент времени. Изотропия означает эквивалентность всех пространственных направлений.

В задаче о расширении эти предположения разумны: в ходе расширения быстрее всего расширяется область, в которой скалярное поле максимально. При этом классическое скалярное поле становится практически постоянным, а все другие поля (в частности, нарушающее изотропию электромагнитное поле) быстро убывают.

* Подробнее об инфляционной стадии и работах А. Д. Линде см., напр.: Новиков И. Д. Как взорвалась Вселенная // Природа, 1988. № 1. С. 82-91. (Прим. ред.)

Однако в ходе сжатия можно ожидать огромной неустойчивости, нарушения однородности и изотропии. Поэтому вариант прохождения Вселенной некоего минимального радиуса становится еще менее вероятным при учете возмущений. По существу аргумент этот близок к соображениям о возрастании энтропии. Итак, если это и не теор ема, то все же мы имеем достаточно побудительных причин для размышлени й о спонтанном рождении Вселенной, устраняющем идею циклической Вселенной.

О СПОНТАННОМ РОЖДЕНИИ

Знаменитый до революции юморист А. Аверченко начинал свою "Всемирную историю" словами: "История мидян темна и непонятна. Ученые делят ее, тем не менее, на три периода: первый, о котором ровно ничего не известно. Второй, который последовал за первым. И, наконец, третий период, о котором известно столько же, сколько и о первых двух".

Боюсь, что последняя часть моей статьи о ранней истории Вселенной будет похожа на древнюю историю человечества в изложении А. Аверченко. До сих пор мы выясняли только принципиальную возможность рождения Вселенной. Что можно сказать о конкретном механизме этого явления? Придется ограничиться постановкой вопросов.

Прежде всего, словом "ничего", "из ничего" можно придавать разные трактовки. Можно представить себе пустое плоское пространство Минковского - само по себе такое решение уравнений ОТО существует и оно вечное. Рождение можно было бы представить себе наподобие серии картинок (см. рис).

Рождение замкнутой Вселенной (шарик на последней части IV рис.)
из плоского мира Минковского (М на стадии I).
На промежуточных стадиях, вдали от флуктуации,
приводящей к рождению (отщеплению) шарика, метрика остается плоской ("минковской").

Надо только помнить, что в них речь идет об одномерной аналогии. Изображать рождение трехмерного замкнутого пространства (из трехмерного сечения) пространства Минковского я не умею. Время t есть параметр, отличающий одну часть картинки (I-IV) от другой. После отделения замкнутой области остающееся пространство снова плоское. Но ведь оно плоское только в классическом пределе. В действительности в квантовой теор ии метрика пространства тоже флуктуирует подобно тому, как осциллятор имеет определенную среднюю кинетическую и такую же потенциал ьную энерги ю, не равную нулю в нижнем энергетическом состоянии.

Таким образом, на приведенном рисунке речь идет о флуктуации - но о флуктуации настолько большой, что меняется сама топология, пространство раздваивается. Рассчитывать такие флуктуации сегодня мы не умеем. Напомню, что сами свойства вакуума (его среднюю энерги ю, т. е. космологическую постоянную) мы находим только из опыта.

Второй популярный вариант состоит в рассмотрении только одного замкнутого мира (без подстилающего или рождающего его пространства Минковского). Тогда до "начала" не было буквально ничего, никакой метрики, в частности не было и времени.

Спонтанное рождение мира "из ничего". До момента t = 0 метрика (и, в частности, время) не существовала.

Классические уравнения движения не имеют решения нужного типа. Значит, следует искать квантовомеханические решения. Задача подобна задаче об a -распаде ядра урана или радия. По классической ньютоновской механике a -частица не может пройти весь путь от ядра до бесконечности. Квантовомеханическое решение для a -частицы описывает обе области: "подбарьерную", в которой кинетическая энерги я отрицательна (т. е. классическое движение невозможно), и далекую область, в которой существуют оба решения - и классическое, и квантовомеханическое, и они мало отличаются друг от друга.

Подобно теор ии a -распада строится и квантовомеханическая теор ия рождения Вселенной. Естественно, задачу сейчас решают лишь в самом грубом приближении, рассматривая всего две величины - радиус замкнутой Вселенной а(t) и скалярное поле j. В квантовой теор ии вводятся соответствующие импульсы Р a и Р j ; строится волновая функция Y (а, j ). Импульс Р a = М eff = f(a)a" пропорционален скорости расширения, и в классическом пределе можно найти а" = d a/d t, а значит, и время

Заметим также, что квантовая теор ия даже в сегодняшнем неразвитом ее состоянии дает аргумент в пользу замкнутой Вселенной (в отличие от бесконечной плоской или открытой Вселенной). Только для замкнутой Вселенной можно определить некое небесконечное значение эффективной массы М eff . Какой бы формулировкой квантовой механики мы ни пользовались (волновая функция, или "интегрирование по путям", или любой иной), вероятность спонтанного рождения бесконечной Вселенной тождественно равна нулю *.

* А. А. Старобинский и я рассматривали плоскую Вселенную, конечную, как тор, за счет отождествления противоположных стенок куба. Однако при этом теряется точная изотропия пространства: направления по диагоналям куба не эквивалентны направлениям, перпендикулярным сторонам или ребром. Однако формального опровержения такой гипотез ы еще нет.

В целом, однако, интерпретация полученных результатов остается не вполне ясной. Квантовомеханические формулы указывают на возможность рождения Вселенной. Представляют интерес результаты в части сравнения вероятности рождения Вселенной с тем или иным начальным значением скалярного поля (р. По-видимому, более вероятны большие значения (р, обеспечивающие достаточно большую инфляцию"^ на классической фазе. Однако нет интерпретации абсолютного значения волновой функции и вероятности. Есть и более глубокие основания для скепсиса по отношению к конкретным теор иям рождения Вселенной "из ничего".

Дело в том, что развитие фундаментальной физики еще явно не закончено! Более того, именно сейчас оживают все более геометризованные теор ии элементарных частиц. С одной стороны, это. теор ии, объединяющие бозоны и фермионы, объединяющие внутренние переменные частиц и полей с координатами и преобразованиями Лоренца. В перспективе эти теор ии должны дать и прямое доказательство существования скалярных полей, а также определить их свойства. Рано или поздно возникнет и теор ия масс частиц, и физики скажут нам, что такое скрытая масса, которую открыли астрономы. Еще более близкое отношение к вопросу о рождении Вселенной имеют гипотез ы о пространстве-времени высокой размерности. Еще в конце 20-х годов была сформулирована идея, согласно которой есть одна "лишняя" координата Х 4 , свернутая в кольцо длиной l=2p R, где R - радиус кольца *. Схематически ситуация изображена на рисунке. Три пространственных координаты X 1 , Х 2 , Х 3 заменены одной Х вдоль трубки.

* Такое замыкание, ограничивающее интервал изменения координаты Х 4 малой величиной I (Х 4 + I = Х 4 ), математики называют компактификацией. Мы назовем эту координату Х 4 , имея в виду, что время обычно обозначают Х 0 , а пространственные координаты - X 1 , Х 2 , Х 3 ), В итоге пространство - время оказывается пятимерным. Такую теор ию предложили физики Т. Калуца и О. Клейн еще в 20-х годах.

В квантовой теор ии движение вдоль Х 4 или локализация частицы пр координате Х 4 требуют гигантских энерги и. Поэтому во всех опытах вплоть до самых больших энерги й, 10 17 или даже 10 19 ГэВ (сравните с 10 3 ГэВ на ускорителях 80-х годов), нет движения по особой координате Х 4 (или от Х 4 до Х 9 ). Теор етики говорят, что в низкоэнергетическом пределе пространство-время остается эффективно четырехмерным. Если к тому же ограничиваться размерами, малыми по сравнению с астрономическими, то пространство и время описываются старой доброй метрикой Минковского.

Схематичное изображение пространства Капуцы- Клейна. Показано сечение одного заданного значения времени X 0 =const, три пространственные координаты X 1 , Х 2 , Х 3 заменены одной - X. В итоге получилась двумерная поверхность трубки с координатами X, X 4 на поверхности.

И тем не менее, введение в рассмотрение дополнительных измерений - Х 4 в простейшем примере - не проходит бесследно. Можно рассмотреть малые изменения метрики, при которых координатная ось дополнительного измерения Х 4 предполагается не перпендикулярной координатной сетке основных (макроскопических) измерений. Оказывается, что эффективно такое предположение эквивалентно появлению электромагнитного поля в обычном пространстве.

Увеличение числа компактифицированных ("свернутых") переменных с 1 до 6 или 7 (переход к 10-мерному исходному пространству-времени) дает возможность ввести не только электромагнитное поле, но и те поля (W ± , Z°), которые описывают слабое взаимодействие, и поля (глюонные), которые описывают сильное взаимодействие. К тому же, теор ия суперсимметрии, объединяющая бозонные поля (такие, в частности, как электромагнитное) и фермионные поля (такие, как электрон-позитронное), тоже "геометрична", она вводит новые - удивительные, но геометрические переменные. Мечта А. Эйнштейна о геометризации всей физики сегодня представляется гораздо более реальной, чем это казалось всего 5 или 10 лет назад.

Но почему я пишу обо всем этом в космологической статье?

Первая (не самая главная) причина состоит в том, что мы, наконец, присутствуем при рождении теор ий, для которых скалярные поля являются необходимым следствием. О значении скалярных полей уже говорилось - без них не было бы инфляционной Вселенной. Поляризация вакуума как источник энерги и и отрицательного давления для инфляции (раздувания) Вселенной, есть тоже разновидность скалярного поля.

Однако более существен и более специфичен второй аспект влияния теор ий с "лишними" измерениями на космологию. В момент рождения в замкнутом мире пространственные переменные X 1 , Х 2 , Х 3 меняются в очень узких пределах порядка 0 < 2p а(t), где а(t) стремтся к 0 при t, стремящемся к 0. Естественно предположить в таком случае, что в действительности Вселенная рождается симметричной по всем пространственным переменным (размерность Д = 5 или выше). Разделение геометрических переменных на "внутренние", т. е. компактифицированные, Д = 4 переменные и на обычные геометрические три переменные и время происходит лишь позже. Это разделение представляет собой типичное спонтанное (самопроизвольн ое) нарушение симметрии! Первоначально мы имеем, например, 9-мерный "шар", все направления в котором эквивалентны, а позже 6 измерений застывают с а 4 -а 9 (их характерные размеры порядка 10 -33 см) *, а три измерения растут экспоненциально и, в конце концов, становятся больше 5000 Мпк = 10 28 см, т. е. больше всей наблюдаемой области Вселенной. Намерения у нас остались те же, что и раньше,- описать рождение Вселенной "из ничего". Однако конкретная реализация этого намерения становится совсем другой по сравнению с первыми вариантами.

* Размер 10 - 33 см соответствует энерги и 10 19 ГэВ, при которой квантовые свойства гравитации становятся существенными. (Прим. ред.) *

Рождение симметричного мира с координатами X 4 и X 1 , Х 2 , Х 3 при "замораживании" X 4 (в момент t 2 ). Этот рисунок создает у читателя неправильное впечатление о неоднородности пространства (большая кривизна на концах эллипса). Однако нужно помнить, что в многомерной геометрии существуют пространства (так называемые решения Бланки), однородные, но с разной кривизной по разным направлениям. К сожалению, я не умею изображать их на плоскости рисунка.

Итак, дальнейшее продвижение космологии требует коренного развития физики микромира. Не только "Великое объединение" разных взаимодействий, но и предстоящее "Самое великое объединение" микромира и космологии - такова наиболее фундаментальная и амбициозная программа конца XX века.

ПОСЛЕСЛОВИЕ

2 декабря 1987 г. скоропостижно скончался выдающийся советский физик академик Я.Б. Зельдович. Его 56-летняя необыкновенно плодотворная научная деятельность охватывает такие разнородные области, как химическая физика, теор ия элементарных частиц, работы по реактивному, ядерному и термоядерному оружию и - в последние 25 лет - по астрофизике и космологии. Очень велики заслуги Зельдовича как учителя молодых ученых, автора монографий, популярных статей и обзоров.

Об одном из них * особенно уместно здесь вспомнить, так как его тема недавно обсуждалась на страницах журнала **. Речь идет о так называемой "релятиви стской теор ии гравитации" (РТГ), авторы которой пытаются противопоставить ее общей теор ии относительности Эйнштейна (ОТО). Зельдович и Грищук убедительно показали, что фактически речь идет об эквивалентной формулировке уравнений теор ии Эйнштейна, а не о новой теор ии. В РТГ вводится, наряду с искривленным пространством Римана, вспомогательное плоское пространство. Однако неправомерно интерпретировать величины, определенные в терминах этого пространства, в качестве наблюдаемых. Неправильно утверждение авторов РТГ о неоднозначности выводов ОТО. Необоснован и отказ от рассмотрения иных, чем у мира Минковского, топологических структур пространства-времени, в частности от рассмотрения космологической модели замкнутой Вселенной. Именно эта модель представляется наиболее правдоподобной. Она обсуждается в данной статье Зельдовича.

* Зельдович Я. Б., Грищук Л. П. Тяготение, ОТО и альтернативные теор ии // Усп. физ. наук. 1986. Т. 149. Вып. 4. С. 695- 707.

** Логунов А. А. Релятиви стская теор ия гравитации // Природа. 1987. № 1. С. 36-47.

Работы Зельдовича в значительной степени способствовали возникновению нового научного направления, лежащего на стыке теор ии элементарных частиц, астрофизики и космологии. Вся Вселенная при этом выступает в качестве гигантской лаборатории (или полигона) для проверки следствий современных теор ий и гипотез о природе элементарных частиц и пространства, в том числе в той области энерги й и масштабов, которые пока недоступны ускорителям.

Зельдович ставит задачу построения полной космологической теор ии ранней Вселенной, описывающей самую первую, "квантово-гравитационную" стадию расширяющейся Вселенной и отвечающей на вопрос - как возникли качественные и количественные особенности строения Вселенной, проявляющиеся на более поздней стадии, почему Вселенная именно такова, какой мы ее наблюдаем. Полная космологическая теор ия глубочайшим образом связана с построением единой теор ии всех существующих взаимодействий элементарных частиц, т. е. электромагнитных, слабых, сильных и гравитационных взаимодействий; как предполагается, такая теор ия должна включать глубокий пересмотр представлений о структуре пространства на так называемом квантово-гравитационном масштабе (это масштаб порядка 10 -33 см в пространстве и порядка 10 -44 с для возраста Вселенной), для которого необходимо рассматривать квантово-гравитационные эффекты. Пока мы лишь приближаемся к пониманию всех этих самых фундаментальных вопросов о Природе. Есть много идей, много надежд, проделана и делается колоссальная работа, но, вероятно, еще гораздо больший путь впереди, может быть, бесконечный...

Последняя статья Зельдовича, написанная, как всегда, очень живо, ясно и доходчиво, вводит читателя в эту волнующую, головокружительную проблематику.

Аргументация Зельдовича в статье сильна и убедительна. Все же само состояние нашего знания сегодня таково, что некоторые утверждения являются гипотетическими, и не исключено, что в действительности все обстоит иначе. Зельдович неоднократно повторяет это. Позволю себе со своей стороны добавить еще несколько замечаний в том же направлении.

В статье излагаются представления, согласно которым наблюдаемая барионная асимметрия Вселенной (и "скрытая" лептонная асимметрия) возникли на ранней (неравновесной) стадии расширения Вселенной вследствие различия свойств частиц и античастиц и отсутствия в природе точного закона сохранения числа барионов и лептонов. При этом как бы подразумевается, что барионная асимметрия имеет одинаковый знак не только в наблюдаемой нами области Вселенной, а вообще во всей Вселенной. Но на самом деле кажется наиболее правдоподобным, что различие свойств частиц и античастиц само носит вторичный характер и возникает из-за неустойчивости в системе взаимодействующих квантовых полей на ранней стадии эволюции (расширения) Вселенной. Поэтому в разных областях Вселенной, пространственно удаленных друг от друга и, вероятно, очень больших (миллиарды световых лет), различие свойств частиц и античастиц и, соответственно, барионная асимметрия могут иметь разный знак. Предполагается, что в наблюдаемой нами части Вселенной есть только вещество, но где-то "много дальше" лежат антибарионные области (состоящие из антивещества, в частности из антипротонов, антинейтронов и позитронов). В замкнутой Вселенной суммарные объемы барионных и антибарионных областей, вообще говоря, различны, и даже не исключено, что вся Вселенная состоит из одной барионной области. Подчеркнем, что вся эта картина совершенно отлична от предполагавшейся ранее некоторыми авторами в рамках модели с сохранением барионного заряда и пространственным разделением барионов и антибарионов при помощи каких-то неизвестных гипотетических процессов.

Другое замечание относится к гипотез е пульсирующей Вселенной. Безусловно правильно, что в ходе сжатия Вселенной можно ожидать огромной неустойчивости, нарушения однородности и изотропии. Но это само по себе не исключает возможности в будущем бесконечного числа пульсаций (циклов расширения и сжатия Вселенной). При этом не исключено также, что существуют "выравнивающие" механизмы (типа вязкости), и хотя бы в некоторых пульсациях Вселенная будет качественно похожей на. нашу ("не исключено" означает, что мы не можем на теперешнем уровне знаний ни опровергнуть, ни обосновать эти возможности).

Я писал о пульсациях в будущем. Но можно ли представить себе такую модель Вселенной, которая приводит к бесконечной последовательности пульсаций, продолжаемой и в будущее, и в прошлое! Повидимому, существует по крайней мере один вариант. Рассмотрим пространственно-плоскую бесконечную Вселенную. Предположим, что в уравнениях общей теор ии относительности присутствует член с так называемой космологической постоянной. Еще Эйнштейн постул ировал в одной из работ наличие такого члена с положительной космологической постоянной. Мы предполагаем, что космологическая постоянная отрицательна, что эквивалентно "самопритяжению" вакуума и приводит к периодическим пульсациям Вселенной. При этом, так как объем Вселенной, радиус ее кривизны и энтропия бесконечны, происходящий, согласно второму началу термодинамики, рост энтропии не обусловливает каких-либо качественных различий между пульсациями.

Наиболее интересна рассматриваемая в статье Зельдовича модель замкнутой Вселенной. В этом случае энтропия конечна и закон ее возрастания, по-видимому, исключает возможность экстрапол ировать историю Вселенной в бесконечное прошлое. Однако и тут существует "лазейка". Можно предположить, что числовая ось времени представляет собой бесконечную в обе стороны прямую, при этом в одной ее точке энтропия Вселенной равна нулю. Для определенности предположим, что в этот момент Вселенная существует в виде очень маленького замкнутого объема, например трехмерной сферы (представляющей собой трехмерное обобщение известной всем с детства двумерной сферы). Нулевую энтропию имеет, по определению, вакуум.

В современных теор иях поля (об этом пишет Зельдович в своей статье) вакуум может существовать в нескольких состояниях: с равной нулю плотностью энерги и - это "обычный" вакуум, а также с положительной плотностью энерги и и отрицательным давлением - это "ложный" вакуум, обладающий свойством "самоотталкивания". "Ложный" вакуум неустойчив и за некоторое время переходит в "обычный" с образованием различных частиц и полей и соответствующим увеличением энтропии. Пока "ложный" вакуум существует, Вселенная расширяется по экспоненциальному закону, а точнее, в окрестности нулевой точки - по закону гиперболического косинуса. Вся картина качественно симметрична относительно нулевой точки.

Особенно существенно, что энтропия автоматически возрастает при удалении от особой точки в обе стороны. Ведь энтропия, по самому своему определению, положительная величина! Таким образом, мы имеем как бы две невзаимодействующие Вселенные, существующие независимо друг от друга, с обратным ходом времени в одной Вселенной по отношению к другой. В 1967 г. я описал подобную ситуацию, употребив термин "поворот стрелы времени" *. Предполагать "рождение" Вселенной в такой модели, вероятно, нет необходимости, но оно не исключено.

* Сахаров А. Д. // Письма в ЖЭТФ. 1967. Т. 5. С. 32-35.

Все это я пишу не для того, чтобы бросить тень на идею квантового рождения Вселенной в особой точке времени, а чтобы указать на большую неопределенность в нашем понимании ситуации. Эта неопределенность носит глубоко принципиальный даже философский характер. Философски острым является, в частности, вопрос о так называемом антропном принципе, объясняющем особенности нашей Вселенной тем, что только в такой Вселенной могла возникнуть разумная жизнь, в отличие от бесконечного числа других, спонтанно возникающих "мертвых" Вселенных.

В статье Зельдовича показано, что, по крайней мере, нет препятствий к квантовому рождению Вселенной со стороны основных физических законов сохранения. Вселенная при этом должна быть замкнутой (иметь конечный объем).

Академик А. Д. Сахаров

• Перевод

«Вопрос бытия – темнейший во всей философии». Так заключил Уильям Джеймс , размышляя над самой основной из загадок: как что-то возникло из ничего? Этот вопрос выводит из себя, решил Джеймс, поскольку требует объяснения, отрицая саму возможность его наличия. «Для перехода из ничего в бытие не существует логического моста», писал он.

В науке объяснения строятся на причинах и следствиях. Но если ничто на самом деле ничто, у него нет возможности стать причиной. Дело не в том, что мы не можем найти правильного объяснения – просто перед лицом «ничто» объяснение не работает.

Этот отказ бьёт по больному месту. Мы существа, любящие повествования. Наши простейшие понятия приходят через истории, а как нечто появилось из ничего – это самая главная история, доисторическая повесть, более фундаментальная, чем «путешествие героя» или «парень встречает девушку». Но эта история подрывает суть истории. Эта повесть соткана из самоуничтожения и парадокса.

И как ей не быть такой? Главный её герой – это Ничто. Слово, парадоксальное благодаря самому своему существованию в виде слова. Это существительное, вещь, и однако же, это не вещь. Как только мы представим его себе или назовём его, мы разрушим его пустоту, запятнав его значением. Остаётся удивляться: это проблема с «ничем», или это наша проблема? Космическая или лингвистическая? Экзистенциальная или психологическая? Парадокс физики или мыслей?

Стоит, однако, помнить, что решение парадокса находится в вопросе, а не в ответе. Где-то должен найтись сбой, неправильное предположение, неверное тождество. В таком коротком вопросе «как нечто появилось из ничего?» мало где можно спрятаться. Возможно из-за этого мы всё время возвращаемся к старым идеям в новой оболочке, играя на пути развития науки фугу, или вариации темы. С каждым проходом мы пытаемся уложить ещё один камень для перехода через реку, продлевая неуловимый мост Джеймса.

Самый старый из камней: если нельзя получить нечто из ничего, попробуй сделать ничто не таким уж пустым. Древние Греки считали, что пустое пространство наполнено субстанцией, эфиром. Аристотель считал эфир неизменным пятым элементом, более совершенным, чем земля, воздух, огонь и вода. «Ничто» противоречит Аристотелевой физике, утверждавшей, что тела падают или поднимаются согласно их правильному месту в естественном ходе вещей. Ничто должно быть идеально симметричным, выглядеть одинаково с любого угла, устраняя смысл у абсолютных пространственных направлений «верх» и «низ». Эфир, по мнению Аристотеля, мог бы служить космическим компасом, основной системой отсчёта, относительно которой можно было бы измерить всё движение. Для тех, кто ненавидел вакуум, эфир изгонял его.

Древний эфир существовал тысячи лет, пока его не переосмыслили в конце XIX века физики, например, Джеймс Клерк Максвелл, открывший, что свет ведёт себя как волна, всегда перемещающаяся с одной и той же скоростью. А что же волновалось и относительно чего измерялась скорость? Эфир был удобным ответом, предоставлявшим и среду, и систему отсчёта. Но когда Альберт Майкельсон и Эдвард Морли решили измерить движение Земли сквозь «эфирный ветер» в 1887 году, они не обнаружили последнего. А вскоре Эйнштейн своей специальной теорией относительности вбил последний гвоздь в гроб эфира.

Десятилетиями мы считали эфир исторической диковиной, регрессом. Но убить его оказалось труднее, чем мы думали. Сегодня его можно увидеть в другой форме: хиггсовского поля, пронизывающего вакуум пустого пространства, возбуждаемого знаменитым бозоном Хиггса. Это скалярное поле, единственный представитель своего вида, подтверждённый экспериментально. Это значит, что в каждой точке пространства у него есть единственное значение (в отличие от поля, описывающего свет, у которого в каждой точке есть как размер, так и направление). Это важно, поскольку означает, что поле будет выглядеть одинаково для любого наблюдателя, неважно, покоящегося или ускоряющегося.

Более того, его квантовый спин нулевой, то есть, оно выглядит одинаково с любого угла. Спин – мера того, как сильно нужно повернуть частицу, чтобы она стала выглядеть так же, как до поворота. У переносчиков взаимодействий (фотоны, глюоны) спин целый – повороты на 360 градусов оставят их неизменными. У частиц материи (электроны, кварки) спин полуцелый, а значит, их нужно повернуть дважды, на 720 градусов, чтобы вернуть к начальному состоянию. Но у Хиггса спин нулевой. Как ни вращай, он всегда выглядит одинаково. Прямо как пустое пространство. Симметрия равна невидимости.

Согласно интуиции Аристотеля, сегодняшние физики считают ничто конечным состоянием симметрии – неустанное самоподобие, предшествующее нахождению различий, необходимых для определения «вещей». Если физики запускают космический фильм в обратном направлении, отслеживая историю глубокого прошлого, они видят объединение несоизмеримых осколков реальности, превращение их в растущую симметрию, обозначающую источник – ничто.

Хиггс прославился снабжением элементарных частиц их массой, но это скрывает его настоящее значение. Дать частицам массу – это просто. Замедляйте их до скоростей ниже световой, и вот вам масса. Тяжело дать им массу, не поломав доисторическую симметрию. Поле Хиггса достигает этого, принимая ненулевое значение даже в состоянии наименьшей энергии. В каждом уголке пустого пространства скукожилось 246 ГэВ Хиггса – но мы этого не замечаем, поскольку оно везде одинаковое. Только скалярное поле может спрятаться на виду. Но его замечают элементарные частицы. Каждый раз, когда масса частицы ломает симметрию Вселенной, Хиггс тут как тут, маскируясь под пустое пространство, устраняет повреждения. Всегда трудясь в тени, Хиггс хранит изначальную симметрию Вселенной нетронутой. Можно понять (если и не простить) склонность журналистов к использованию названия «частица Бога» – даже если Леон Ледерман, придумавший оскорбительный термин, изначально хотел назвать её «проклятая Богом частица», а его издатель не разрешил ему это сделать.

Всё это значит, что хиггсовское поле ближе к ничто, чем Максвелловское понятие эфира. Это самая новая из наших кистей для рисования в пустоте. С его необычной симметрией Хиггс работает как маскировка для ничто – но само по себе оно не является ничем. У него есть структура, оно взаимодействует. Физический смысл 246 ГэВ остаётся неизвестным. При помощи Хиггса мы приближаемся к границам ничто, но не можем их переступить.

Если попытки сделать ничто не таким уж пустым не отвечают на вопрос «как нечто появилось из ничего», мы должны сделать причину не такой уж причиной. И у этих попыток есть своя история. Внезапное появление личинок на гниющем мясе во времена Аристотеля привело к распространённому мифу о спонтанном возникновении жизни; дыхание жизни способно возникнуть из пустоты. Граница между ничем и чем-то встала рядом с границей между жизнью и смертью, духом и материей, божественным и земным. В свою очередь это принесло с собой весь набор религий и веры, порождая очень сложное решение нашего парадокса. Мы принимали эту теорию 2000 лет, пока в 1864 её не развеял микробиолог Луи Пастер. Omne vivum ex vivo – вся жизнь из жизни. В последующие десятилетия мы обнаружили спонтанное возникновение ещё одной исторической диковины. Но, как и эфир, она снова вернулась к нам, в овечьей шкуре квантовых флюктуаций.

Квантовые флюктуации, украшенные неопределённостью, это следствия без причины, шум в сигнале, первозданная статика, случайная по своей природе. Правила квантовой механики позволяют – даже требуют – чтобы энергия (и, согласно E=mc 2 , масса) появлялась «из ниоткуда», из ничего. Сотворение ex nihilo – так это выглядит.

Принцип неопределённости Гейзенберга – естественный источник квантовых личинок. [«maggot» по-английски – не только личинка, но и блажь, причуда, каприз – прим.перев.] Он постулирует, что определённые пары физических свойств – расположение и импульс, энергия и время – связаны вместе фундаментальной неопределённостью. Чем точнее мы задаём один из параметров, тем менее ясным становится другой. Вместе они формируют связанные пары и предотвращают существование «ничто». Начните уточнять пространственное положение, и импульс начнёт дико флюктуировать. Определите мелкие и точные отрезки времени, и энергия начнёт колебаться в более широком промежутке маловероятных значений. В самые короткие мгновения на самых кратчайших дистанциях внезапно могут возникать целые вселенные, чтобы затем исчезнуть. Увеличьте изображение мира, и спокойная, структурированная реальность уступает место хаосу и случайности.

Но эти связанные пары сами по себе не случайны: это пары свойств, которые наблюдатель не сможет измерить одновременно. Несмотря на то, как обычно описывают квантовые флюктуации, в мире нет некоей заранее определённой реальности, ёрзающей туда и сюда. Эксперимент показывает, что то, что есть, на самом деле вовсе не существует, а находится в ожидании. Нерождённое. Квантовые флюктуации – это не экзистенциальные, а условные описания – они не отражают то, что есть, но только то, что станет возможным, если наблюдатель решит провести определённое измерение. Будто бы возможность измерения у наблюдателя определяет, что должно существовать. Онтология подводит итог эпистемологии . Неопределённость природы – это неопределённость наблюдения.

Фундаментальная невозможность присвоить определённые значения всем свойствам физической системы означает, что когда наблюдатель проводит измерение, результат получится действительно случайным. На крошечных масштабах, где правят квантовые эффекты, цепочка причин и следствий слетает с катушек. Квантовая механика, как говорил её отец-основатель Нильс Бор, «непримирима с самим понятием причинности». Эйнштейн, как известно, проигнорировал её. «Бог не играет в кости», сказал он – на что Бор ответил, «Эйнштейн, прекратите советовать Богу, что делать».

Но может, это нас стоит винить в ожидании сохранения принципа причинности. Эволюция научила нас любой ценой искать простые шаблоны. Для наших предков, рассекавших африканскую саванну, возможность распознать следствия из причин отмечала границу между жизнью и смертью. Она съела пятнистый гриб и заболела. Тигр приседает перед прыжком. Рассказы означают выживание. Естественному отбору не нужна квантовая физика – так что, как бы мы догадались о её существовании? Но она существует. А причинность – это приближение. Это наше сознание ищет историю.

И что же, вот и всё? Ответ на вопрос «почему мы существуем» заключается в том, что нет никакого «почему», что существование – это случайная квантовая флюктуация? Ну значит, мы можем отбросить всякие объяснения и сделать квантовый скачок для преодоления моста Джеймса. Как нечто появилось из ничего? Да просто так. К сожалению, дальше мы так не продвинемся. Космологи верят, что законы квантовой механики могут спонтанно создавать вселенные, эта история просто перекладывает ответственность. Откуда же взялись эти законы? Помните, что мы хотели объяснить, как нечто появилось из ничего – а не то, как нечто появилось из заранее существовавших законов физики. Недостаточно убрать причинность из уравнения – парадокс остаётся.

Вначале было ничто, а потом что-то появилось.

Главное действующее лицо в этой истории – Время, переносчик перемен. Может ли решение парадокса заключаться в отрицании времени? Если время, как говорил Эйнштейн, всего лишь упорная иллюзия, то мы можем сразу же освободиться не только от причинности, вытекающей из законов природы, но и от вопроса, откуда взялись эти законы. Они ниоткуда не взялись, потому что нет никакой эволюции. Рассказ исчезает, никакой истории нет, и никакого моста тоже нет.

Понятие вечной вселенной, или цикличной, вечно возвращающейся, появляется в самых ранних мифах и историях, от мифологии банту из Африки, до Времени сновидений австралийских аборигенов, от космологии Анаксимандра Милетского до древнеиндийских пуран . Можно увидеть привлекательность этих теорий. Вечность избегает «ничто».

В наше время эта древня идея возвращается в виде теории стационарной Вселенной, сформулированной Джеймсом Джинсом в 1920, и затем уточнённой и популяризованной Фредом Гойлом и другими в 1940-е. Вселенная расширяется, но для заполнения пустот всё время появляется новая материя, поэтому в среднем Вселенная не изменяется. Теория оказалась неверной, её заменила теория Большого взрыва и вечность уменьшилась до каких-то 13,8 миллиардов лет.

Но в 1960-х стационарная Вселенная внезапно вернулась в странном виде – в уравнении

H(x)|Ψ> = 0

Физики Джон Арчибальд Уилер и Брюс Девитт написали его, теперь известное как уравнение Уилера-Девитта, хотя сам Девитт зовёт его «это чёртово уравнение» (нет, никакого родства с «проклятой богом частицей»). Они пытались применить странные законы квантовой механики к Вселенной в целом, как она описывается в эйнштейновской общей теории относительности. Стоит обратить внимание на правую часть уравнения – нулевую. Общая энергия системы – ничего. Никакой эволюции во времени. Ничего не может произойти. Проблема в том, что эйнштейновская вселенная – четырёхмерное пространство-время, комбинация пространства и времени. Но квантовая механика требует, чтобы волновая функция физической системы эволюционировала во времени. Но как может пространство-время эволюционировать во времени, если оно и есть время? Эта дилемма просто бесит – вселенная, описываемая квантовой механикой, застывает во времени . Уравнение Уилера-Девитта – это теория стационарной Вселенной наизнанку. Вместо всегда существовавшей Вселенной у нас получается Вселенная, которой никогда не будет.

Само по себе уравнение Уилера-Девитта элегантно решает нашу задачу. Как из ничего появилось нечто? Оно не появлялось. Но такое решение озадачивает – ведь мы-то здесь.

В этом и суть. В квантовой механике ничего не происходит до тех пор, пока наблюдатель (человек или другая конфигурация частиц) проводит измерение. Но в случае всей вселенной наблюдателя не существует. Никто не может стоять вне вселенной. Вселенная в целом застряла в бесконечном мгновении. Но внутри всё выглядит по-другому.

Изнутри наблюдатель не может измерить всю вселенную, и поэтому разбивает реальность на две части – обозревателя и обозреваемое – благодаря простому, но сильному факту, что наблюдатель не может измерить сам себя. Как писал физик Рафаэль Боуссо , «Очевидно, у прибора должно быть не меньше степеней свободы, чем у системы, чьё квантовое состояние он пытается определить». Философ науки Томас Брюер использовал Гёделевский аргумент для выражения той же мысли: «Никакой наблюдатель не может получить или сохранить информацию, достаточную для того, чтобы различить все состояния системы, в которой он находится».

Как наблюдатели, мы обречены вечно видеть только кусочек большой головоломки, частью которой мы являемся. И это может быть нашим спасением. Когда вселенная распадается на две части, ноль в правой части уравнения меняется на другое значение. Всё меняется, физика происходит, время идёт. Можно даже сказать, что Вселенная рождается.

Если это звучит как ретроказуальность (будущее влияет на прошлое) – ну, так оно и есть. Квантовая теория требует этого странного обращения стрелы времени. Уилер обратил внимание на этот факт при помощи известного эксперимента с отложенным выбором, который сначала был предложен в качестве мысленного, а затем . В отложенном выборе измерение наблюдателя в настоящем определяет поведение частицы в прошлом – прошлом, которое может тянуться назад на миллионы, и даже на 13,8 миллиарда лет. Цепь причин и следствий оборачивается сама на себя, и её конец связывается с началом: мост Джеймса оказывается петлёй.

вселенная

философия

Добавить метки

В одной из финальных сцен в фильме «Звуки музыки» Мария, роль которой исполнила Джули Эндрюс, и Капитан фон Трапп, которого сыграл Кристофер Пламмер, наконец признаются друг другу в любви. Оба, похоже, находятся в большом изумлении от испытываемой взаимной любви, и вместе удивляются тому, откуда появилась их любовь. Но они кажутся уверенными в том, что она откуда-то взялась. И они поют песню Ричарда Роджерса:

«Из ничего ничего не бывает,

Это закон». 1

Но так ли это? Или что-то всё-таки может появиться из ничего? И как этот вопрос влияет на наше понимание того, как появилась Вселенная?

Это является предметом изучения такой научной дисциплины, как космология, и сущностью космологического аргумента в философии. В «Презумпции атеизма» я назвал космологический аргумент одним из тех, которые в качестве своей отправной точки используют утверждение о том, что существует Вселенная. Под Вселенной я понимал один или несколько вариантов бытия, причиной существования которых является некое другое бытие (или то, что могло бы быть причиной существования других вариантов бытия).

ПЕРВИЧНАЯ ВСЕЛЕННАЯ

В «Презумпции атеизма» и других атеистических работах я утверждал, что саму Вселенную и её наиболее фундаментальные законы мы должны принимать как сами по себе первичные. Каждая система, которую мы объясняем, должна начинаться в некой точке, но сама по себе эта отправная точка не может быть объяснена системой. Таким образом, все подобные системы неизбежно предусматривают некие начала, которые не имеют объяснения. Именно такой вывод следует из неотъемлемой природы объяснений, цель которых заключается в том, чтобы понять, почему нечто, что имеет место быть в настоящей действительности, имеет место быть.

Предположим, например, что мы заметили, что новая белая краска над нашей газовой плитой превратилась в грязно-коричневую. Мы проводим расследование. Мы обнаруживаем, что это всегда случается с подобными плитами и этим видом краски. Переходя ко второму этапу наших исследований, мы узнаем, что это явление можно объяснить некоторыми более глубокими закономерностями химического соединения: сера в парах газа образует соединение с чем-то, что содержится в краске, и в результате этого цвет краски меняется. Двигаясь дальше, мы приходим к тому, что даже в грязи на нашей кухне мы видим одно из бесчисленных последствий того, что всеохватывающая атомно-молекулярная теория строения материи действительно работает. И ничего тут не поделаешь. На каждом этапе объяснения необходимо принимать некоторые вещи в качестве грубых фактов; вот так вот обстоят дела.

В своих дискуссиях с теми, кто верит в Бога, я показывал, что они находятся перед той же самой неизбежностью. Что бы ни намеревались теисты объяснить, ссылаясь на существование Бога и Его природу, они не могут избежать столкновения с такими явлениями, как первичное и необъяснимое. И я не видел, чтобы что-либо в нашей Вселенной, о чём мы можем знать или догадываться на основании разумных доводов, указывало на некую трансцендентную реальность позади, вверху или вне. Таким образом, почему бы не принять первичность Вселенной и её наиболее фундаментальных характеристик как факт?

Итак, большинство моих прежних дискуссий проводилось независимо от разработок в современной космологии. По сути, две мои основные антирелигиозные книги были написаны задолго до разработок в области космологии Большого взрыва и появления аргумента тонкой настройки с её физическими константами. Но с начала 80-ых годов я начал пересматривать свои взгляды. Я признал, что в данном случае атеисты оказались в неловком положении из-за единства современных космологических представлений, ведь казалось, что космологи предоставляли научное доказательство тому, что, как утверждал святой Фома Аквинский, не может быть доказано философским путём; а именно, что у Вселенной есть начало.

В НАЧАЛЕ

Когда я, ещё будучи атеистом, впервые узнал о теории Большого взрыва, она показалась мне теорией больших разногласий, поскольку она предполагала, что у Вселенной есть начало и что первое предложение в книге Бытия («В начале сотворил Бог небо и землю») имело отношение к событию во Вселенной. Удобно предполагать, что у Вселенной нет ни только конца, но и начала, поскольку до тех пор, пока мы так считаем, нам легко рассматривать существование Вселенной (и её наиболее фундаментальных характеристик) в качестве грубых фактов. И если нет причин полагать, что у Вселенной есть начало, то нет и необходимости постулировать нечто ещё, что создало всё вокруг.

Но теория Большого взрыва всё это изменила. Если Вселенная имеет начало, то полностью целесообразным и почти неизбежным становится вопрос о том, что является причиной этого начала. Это радикально изменило положение вещей.

В то же время я предугадал, что атеисты не могли не видеть того, что космология Большого взрыва требует физического объяснения – объяснения, которое, надо сказать, может навсегда остаться недоступным для человека. Но я признавал, что верующие могли в равной степени обоснованно поддерживать космологию Большого взрыва в связи с тем, что она имеет предпосылки к тому, чтобы подтвердить их главное убеждение, которое заключается в том, что «в начале» Вселенная была сотворена Богом.

Казалось, что современные космологи не меньше атеистов встревожены возможными теологическими последствиями своей работы. Поэтому они продумали отходной путь, который помогает сохранить статус-кво относительно их нетеистических взглядов. Этот путь включает идею мультивселенной, которая представляет из себя множество вселенных, образованных вакуумными флуктуациями, а также идею Стивена Хокинга о замкнутой Вселенной.

ДО ПОЯВЛЕНИЯ НАЧАЛА

Как я уже отметил, я не нашёл особой пользы в альтернативе, которая представлена в виде мультивселенной. Допускать наличие множества вселенных, утверждал я, является абсолютно бесперспективным выбором. Если существование Вселенной нуждается в объяснении, то множество вселенных требуют ещё более масштабного объяснения: проблема увеличивается на общее количество вселенных, сколько бы их ни было. Это немного напоминает случай со школьником, чей учитель не верит в то, что собака съела его домашнюю работу, после чего школьник заменяет первую версию своего рассказа историей о том, что свора собак (которых было так много, что он даже не смог сосчитать) съела его домашнюю работу.

Стивен Хокинг использует иной подход в своей книге «Краткая история времени». Он пишет: «При условии, что Вселенная имеет начало, мы должны предположить, что у неё есть создатель. Но если Вселенная действительно является замкнутой, не имея ни конца ни края, она не должна иметь ни начала ни конца, она должна просто быть. Какое место, в этом случае, можно отвести создателю?» 2 В своём обзоре книги, когда она только вышла, я отметил, что намёк, содержащийся в этом заключительном риторическом вопросе, склоняет к мысли об отсутствии Бога. Тем не менее, каким бы подходящим ни был данный вывод, я добавил, что любой, кто не является физиком-теоретиком, просто обязан ответить так, как выразился бродвейский герой Деймона Раньона: «Если Большой взрыв не был началом, то он, по крайней мере, будет иметь смысл до тех пор, пока начало идёт с ним рука об руку». 3 Сам Хокинг должен быть по крайней мере отчасти солидарен с таким ответом, поскольку он заметил: «Модель расширяющейся Вселенной не исключает создателя, но она ограничивает временные рамки, в пределах которых он мог совершить свою работу!»

Хокинг также сказал: «Большой взрыв можно считать началом отсчета времени в том смысле, что более ранние времена были бы просто не определены». 4 Из этой дискуссии я сделал вывод, что даже если всё сойдётся на том, что Вселенная, какой мы её знаем, началась с Большого взрыва, физика, тем не менее, должна оставаться полностью агностической: во всяком случае, физически невозможно узнать, что стало причиной Большого взрыва.

Безусловно, открытие того факта, что Вселенная находится в состоянии движения, а не является неподвижным и вечно инертным объектом, изменило ход дискуссии. Но мораль истории заключалась в том, что поставленный на карту вопрос был скорее философским, нежели научным. И это вернуло меня обратно к космологическому аргументу.