На лужайке Эйнштейна. Что такое ничто, и где начинается всё - Гефтер Аманда
– Вот именно. Рождение Вселенной может быть познаваемо в рамках законов физики. Сейчас я не представляю, как понять, откуда взялись сами законы, но мы побеспокоимся об этом позже. А сейчас мы надеемся, что в системе, описываемой окончательными законами физики, будут существовать квантовые состояния, соответствующие полному отсутствию чего бы то ни было. Мы знаем, что квантовые системы могут спонтанно переходить из одного квантового состояния в другое, атомы то и дело совершают такие переходы в процессе распада. Квантовая система, находящаяся в одном состоянии, может сделать случайный переход в другое состояние, так что вы могли начать именно отсюда, от состояния полного отсутствия всего, и совершить переход к маленькой вселенной, затем механизм инфляции мог превратить эту маленькую вселенную в большую Вселенную. В общих чертах, я думаю, это правдоподобная картина образования Вселенной.
– И в этом смысле возможно получить что-то из ничего? – спросила я.
– Со времени моей учебы в университете наше понимание этого вопроса сильно изменилось, – сказал Гут. – Тогда все верили, что во Вселенной существует множество сохраняемых величин, которые имели большие количественные значения, и что единственный способ создания Вселенной – начать с чего-то большого. Но все эти законы сохранения более или менее исчезли. Сегодня мы думаем, что Вселенная имеет нулевые значения для всех сохраняемых величин.
В сохраняемых величинах выражаются неизменные свойства природы, иконизированные в непреложных законах – таких, как закон сохранения энергии, который говорит, что при любых обстоятельствах суммарная энергия всех задействованных во взаимодействии объектов до взаимодействия и после взаимодействия одна и та же. Энергия не может ни возникнуть из ничего, ни исчезнуть, она только перераспределяется. Законы сохранения обеспечивают плавную и непрерывную эволюцию Вселенной. Без них в вашей ванной могла вдруг появиться атомная бомба, или ваша собака могла вдруг исчезнуть. Физика была бы невозможна. Ее уравнения рассыпались бы прежде, чем вы достигали бы знака равенства.
Леонард Сасскинд, Алан Гут и Андрей Линде наслаждаются калифорнийским солнцем.
Фото: А. Гефтер.
И теперь Гут говорит, что все сохраняемые величины равны нулю. Это было довольно шокирующим. Казалось бы, законы физики обязаны сохранить нечто – по крайней мере нечто, начало существованию которого было положено 13,7 млрд лет назад. Но если все сохраняемые величины равны нулю, это означает, что законы физики должны вместо нечто сохранять ничто.
– И для энергии тоже? – спросила я.
– С энергией сложнее всего, потому что если сложить все массы во Вселенной и использовать E = mc2, может показаться, что Вселенная обладает огромной энергией. Но необходимо учесть, что гравитация дает отрицательный вклад в полную энергию. Это нетрудно доказать. Грубый способ понять это состоит в том, чтобы применить закон Кулона к гравитации, как мы применяем его в электростатике. В электростатике, если вы возьмете два положительных заряда, они будут отталкиваться друг от друга, поэтому для того чтобы получить большой электростатический заряд, необходимо собрать много элементарных зарядов вместе и совершить много работы. Это значит – тратить энергию. В случае гравитации все ровно наоборот. Масса имеет только один вид заряда – положительный. Такие заряды всегда притягиваются друг к другу. Вы можете образовать большую массу, сложив много масс вместе. Но необходимо затратить энергию, чтобы растащить их. Поэтому вклад гравитации в полную энергию Вселенной компенсирует положительную энергию всех масс.
– Еще одна важная сохраняющаяся величина – барионный заряд, – продолжал Гут, имея в виду полное число протонов и нейтронов, компонентов ядра любого атома. – Когда я учился в университете, все думали, что барионное число сохраняется и что в наблюдаемой Вселенной имеется очень большое число барионов, то есть большое число протонов и нейтронов, и, насколько мы можем судить, очень мало антипротонов или антинейтронов. Некоторые предполагали, что, может быть, существует большое количество антиматерии где-то там, где мы еще ее не обнаружили, но эта гипотеза не была особенно успешной. С развитием теории великого объединения в 1970-е годы физики поняли, что мы в действительности не знаем, сохраняется ли барионный заряд. Позже выяснилось, что даже в так называемой стандартной модели физики элементарных частиц, где, как все думали, барионный заряд точно сохраняется, это на самом деле оказалось не так из-за необычных квантовых эффектов. Сегодня число доказательств несохранения барионного заряда стало уже ошеломляющим.
Итак, энергия сохраняется, но это не имеет значения, потому что гравитация уже скомпенсировала все остальное, а барионный заряд не сохраняется вовсе. Чтобы он сохранялся, общее число протонов и нейтронов во Вселенной сегодня должно быть таким же, каким оно было при ее рождении, и не было бы никакого способа объяснить, откуда взялись все эти протоны и нейтроны.
– Означает ли это, что материя может спонтанно возникать из ничего?
– Да, – кивнул Гут. – Когда теория инфляции только-только создавалась, я говорил, что Вселенная, возможно, представляет собой абсолютно бесплатный обед. С тех пор идея инфляции в нашем видимом мире превратилась в теорию мультивселенной, которая постоянно растет. Если эта картина верна, то совершенно ясно, что вы получили все даром, в обмен на ничто, и продолжаете получать еще больше. И все это основано на идее, что во Вселенной не существует ненулевых сохраняемых величин.
– Гравитация компенсирует положительную энергию по всей мультивселенной?
– Совершенно верно, – сказал он.
– А что можно сказать о величинах, которые все-таки вроде бы сохраняются, как, скажем, момент импульса?
– Мы считаем, что угловой момент сохраняется, но, насколько мы можем судить, общий момент импульса Вселенной равен нулю. Если сложить угловые моменты всех галактик, вращающихся в разных направлениях, то согласно астрономическим данным сумма, действительно, равна нулю. Электрический заряд – еще одна величина, которая, как мы считаем, абсолютно точно сохраняется, но Вселенная в целом – электрически нейтральна.
– А если мы обнаружим, что существуют некоторые сохраняющиеся величины, принимающие ненулевое значение, будет ли это означать, что невозможно получить что-то из ничего?
– Конечно, это все изменило бы. Вечное расширение сразу стало бы мыслимым. Если для создания нашей Вселенной действительно требуется ненулевое значение какой-либо сохраняемой величины, то было бы невозможно создавать все больше и больше вселенных без нарушения закона сохранения.
– Но пока сохраняемые величины принимают нулевые значения, вы можете получить что-то из ничего.
– Наверное, лучше будет сказать, что нечто и есть это самое ничто, – сказал Гут. – Все, что мы видим вокруг, в некотором смысле – ничто.
Когда пришло время выступления Хокинга, я едва могла сдержать волнение. Хокинг был упрям, провокационен и неординарен. Он слыл скандалистом мирового класса, и мне не терпелось увидеть, какую новую штуку он выкинет на этот раз.
Он выехал на середину сцены в своем кресле.
– Вы меня слышите? – вежливо осведомился его компьютер.
– Да, – ответила публика.
– В моем выступлении я хочу предложить другой подход к космологии, который поможет ответить на главный вопрос: почему Вселенная такая, какая она есть?
Другой подход к космологии? Это обещает быть интересным.
– Каким образом мы можем выяснить, как родилась Вселенная? – спросил Хокинг. – Некоторые – в основном это те, кто воспитывался в традициях физики элементарных частиц, – просто игнорируют эту проблему. По их ощущению, задача физики – предсказывать то, что происходит в лаборатории… Меня поражает, что люди могут поддерживать такую убогую точку зрения, что они могут сосредоточиться только на конечном состоянии Вселенной и не задаваться вопросом, как и почему она возникла.
