Вселенная размеры мы ничто

Как из нулевой энергии Ничто могла произойти Вселенная? Хроника великого перехода

Голый факт существования мира в противоположность несуществованию Ничто в постхристианской картине мира был бы менее загадочен, если бы этот мир, по сравнению с другими возможными реальностями, чем-то выделялся на их фоне. Например, космос существует, потому что удовлетворяет абстрактную потребность в добре, простоте или красоте. С точки зрения такого платоновского представления, и человек должен быть здесь, потому что его существование добавляет немного добра (или красоты, или элегантности) в сумму космических возможностей. Любая такая особенность, выделяющая именно этот мир в качестве существующего, придала бы человеческой жизни смысл как необходимому элементу этого мира. У жизни была бы высшая космическая цель: быть как можно лучше этически, или как можно более поэтичным, или как можно более элегантным (вспомним книгу Брайна Грина «Элегантная Вселенная») или что-то еще.

Идея, что Вселенная, содержащая сотни миллиардов галактик, могла появиться из пустоты, выглядит невероятной. Как показал Эйнштейн, любая масса представляет собой замороженную энергию. Однако огромному количеству положительной энергии, запасенной в звездах и галактиках, должна противостоять отрицательная энергия гравитационного притяжения между ними. В «закрытой» Вселенной (той, которая со временем снова сожмется в Большом сжатии) положительная и отрицательная энергии должны точно уравновешивать друг друга – это показывают математические расчеты. Другими словами, полная энергия такой Вселенной равна нулю. Что же касается причины, по которой Вселенная возникла, то это просто квантовая вероятность. Да, это трудно понять классическому разуму.

Возможность создания целой Вселенной из нулевой энергии поражает воображение. Но весь точки зрения квантовой механики Вселенная с нулевой энергией представляет собой интересную — и противоречивую, в духе Георга Гегеля — возможность. Допустим, полная энергия Вселенной точно равна нулю. Тогда, благодаря взаимосвязи в неопределенности между энергией и временем (как диктует принцип Вернера Гейзенберга), неопределенность во времени становится бесконечной. Другими словами, как только такая Вселенная возникнет из пустоты, то сможет существовать вечно.

Квантовая неопределенность запрещает точное определение значений поля и скорости изменения этого значения. Пустота, или вакуум – это состояние, в котором все значения полей постоянно равны нулю, однако принцип неопределенности Гейзенберга говорит, что если мы точно знаем значение поля, то скорость его изменения совершенно случайна: быть равной нулю она никак не может. Таким образом, математическое описание неизменной пустоты несовместимо с квантовой механикой и инфляционной квантовой космологией – точнее, в квантовом мире пустота неустойчива, или же ее попросту не существует.

Если мы не можем вообразить абсолютную пустоту (за исключением разве что сна без сновидений), означает ли это, что всегда должно обязательно существовать Что-то? Необходимо остерегаться склонности принимать недостаток воображения за проникновение в истинную сущность бытия. Во Вселенной не только возможно, но и действительно существует многое из того, что лежит за пределами возможностей нашего воображения. Например, мы не можем представить себе объект, не имеющий цвета, однако фотоны, электроны и атомы бесцветны (они даже не серые). Большинство из нас не могут вообразить искривленным само пространство (объекты могут). Тем не менее теория относительности Эйнштейна утверждает, что мы на самом деле живем в искривленном четырехмерном пространстве-времени, которое нарушает законы евклидовой геометрии.

Не все философы разделяют убеждение, что пустое пространство есть Нечто. Среди них существуют по крайней мере два альтернативных взгляда на его природу. Субстантивный взгляд относится к Ньютону и считает пространство чем-то реальным, что имеет присущую ему геометрию и будет продолжать существовать, даже если все его содержимое исчезнет. Противоположный реляционистский взгляд восходит к сопернику Ньютона Лейбницу и полагает, что пространство не существует само по себе, а есть лишь сплетение взаимосвязей между объектами. С точки зрения Лейбница, пространство неспособно существовать без связываемых им объектов, как не может существовать улыбка Чеширского кота без самого кота.

Если пространство есть настоящая космическая сцена, существующая сама по себе, тогда она сможет пережить и исчезновение ее материального содержимого, даже если все исчезнет. Однако если пространство объективно существует, то должна существовать его геометрическая форма. Она может быть безграничной протяженности, но может быть и ограниченна, при этом не имея границы. Как, например, поверхность футбольного мяча является конечным двухмерным пространством, при этом не имеющим границы. Подобное «замкнутое пространство-время» не противоречит теории относительности Эйнштейна. В самом деле, Стивен Хокинг и другие ученые полагают, что пространство-время Вселенной является конечным и неограниченным, подобно поверхности футбольного мяча, только с большим числом измерений. Тогда несложно мысленно уничтожить пространство-время вместе со всем его содержимым. Просто представьте себе, что мяч сдувается или, скорее, уменьшается в размерах. Перед вашим мысленным взором конечный радиус мяча-вселенной становится все меньше, пока не достигает нуля. Теперь арена пространства-времени исчезла, оставив только абсолютное Ничто, или не оставив ничего.

Если пространство-время представляет собой не реальную сущность, а лишь набор взаимосвязей между объектами, то оно исчезнет вместе с этими объектами и поэтому не является препятствием для существования Ничто. Если же пространство-время есть нечто реальное, имеющее свою собственную структуру и сущность, то его можно «мысленно уничтожить», подобно всей остальной Вселенной.

В физике «Нечто» определяется количеством энергии. Даже материя, как показывает самое знаменитое уравнение Эйнштейна, является лишь застывшей энергией. С точки зрения физики, пространство максимально пусто тогда, когда оно лишено энергии. Допустим, что мы попытались удалить всю энергию из некой области пространства. Другими словами, мы попытались перевести эту область в состояние с минимальной энергией, известное как «вакуумное состояние». В какой-то момент в процессе откачки энергии произойдет событие, противоречащее здравому смыслу: спонтанно возникнет нечто, называемое «поле Хиггса». И от поля Хиггса избавиться нельзя, потому что его вклад в полную энергию той области пространства, которую мы стараемся опустошить, на самом деле отрицателен: поле Хиггса – это Нечто, содержащее меньше энергии, чем Ничто. Существование поля Хиггса сопровождается игрой «виртуальных частиц», которые непрестанно возникают и исчезают. Пространство в вакуумном состоянии оказывается весьма оживленным местом.

Тогда как насчет прямого перехода от мира Нечто к пустоте? Физически это тоже невозможно, потому что, например, уничтожение пары электрон – позитрон нарушает другой фундаментальный закон физики – закон сохранения энергии. Вместо уничтоженной пары по законам физики неизбежно должно будет появиться что-то еще – фотон или другая пара частица – античастица.

Как мы видим, не так-то просто перейти от Нечто к Ничто. Приближение всегда немного не достигает предела, всегда оставляя что-то из сущего, каким бы крохотным оно ни было. Впрочем, что же здесь удивительного? Чтобы успешно перейти от Нечто к Ничто, нужно разгадать загадку бытия в обратную сторону: любой логический переход из одного в другое должен быть двунаправленным. Если нам кажется, что легче вообразить переход от Нечто к Ничто, чем наоборот, то это потому, что начальная и конечная точки заранее известны. Переход от Ничто к Нечто выглядит более таинственным, потому что никогда не знаешь, что получится в результате – что остается верным на космическом уровне.

Большой взрыв – физический переход от Ничто к Нечто – происходит не только невообразимо быстро, но и без каких-либо присущих ему внутренних законов. Как говорит современная физика, в принципе невозможно достоверно предсказать, что может получиться из голой сингулярности. Здесь теория Эйнштейна прерывается и не может предсказать начало Вселенной — только как она развивалась позже. Все начинается с сингулярности — точки, в которой температура, плотность и искривление Вселенной были бесконечны. Из этой точки Вселенная начинает расширяться, и расширение (в соответствии с инфляционной моделью) продолжается до сих пор. Обратив вспять расширение, мы увидим, как содержимое Вселенной сближается, все более сжимаясь в одну точку. В конце концов, в самом начале космической истории, весь мир находится в состоянии бесконечного сжатия и стянут в «сингулярность». Общая теория относительности Эйнштейна утверждает, что форма пространства-времени определяется распределением энергии и материи. И когда энергия и материя бесконечно сжаты, то и само пространство-время тоже сжато – и оно просто исчезает.

Как именно, можно понять, если учесть, что через долю секунды после рождения вся наблюдаемая Вселенная была не больше атома. В таких масштабах классическая физика неприменима: в микромире правят законы квантовой теории. Поэтому космологи (среди них и Стивен Хокинг) стали применять квантовую теорию, которая использовалась только для описания субатомных явлений, ко всей Вселенной в целом. То, что квантовая теория (а за ней и квантовая космология) разрешает, еще более интересно, чем то, что она запрещает. А разрешает она спонтанное возникновение частиц из вакуума. Такой способ создания Нечто из Ничто дал квантовым космологам плодотворную идею: что, если сама Вселенная, по законам квантовой механики, возникла из Ничто? Тогда причина того, что существует Нечто, а не Ничто, состоит в неустойчивости вакуума.

Квантовая космология предлагает способ обойти проблему сингулярности. Классические космологи полагали, что сингулярность, предшествовавшая Большому взрыву – это что-то вроде точки с нулевым объемом. Однако квантовая теория запрещает столь точно определенное состояние, утверждая, что на самом фундаментальном уровне природа обладает неизбежной неопределенностью, квантовой размытостью, которую проще всего показать на примере облачков электронов, поэтому невозможно указать точный момент возникновения Вселенной, ее начальное время.

В этой точке действуют законы квантовой механики: частицы движутся всеми возможными путями, и Вселенная может иметь бесконечное множество предысторий. Общая теория относительности объединяется с квантовой теорией: искривление времени-пространства настолько велико, что все четыре измерения ведут себя одинаково. Иными словами, времени как особого параметра нет. А если времени нет, то нет и возможности говорить о начале Вселенной во времени, что устраняет проблему творения из ничего.

Если Вселенная, по законам инфляционной космологии, может иметь бесконечное множество предысторий, но развивалась именно так, что в результате появились мы, не предполагает ли это цели, направленности, высшего Замысла? Сильный антропный принцип настаивает на неизбежном развитии Вселенной до появлению человека. Слабый останавливается на том, что вполне может существовать бесконечное множество предысторий нашей Вселенной (а также других Вселенных), но мы живем в той, которая допускает существование человека.

Является ли пустота одной из возможных реальностей, в которую бы мог воплотиться мир? И что насчет Абсолютной пустоты, полного отсутствия всего? Некоторые философы утверждают, что пустота невозможно, поскольку эта идея сама себе противоречит. Если они правы, то загадка бытия («Почему существует «Нечто, а не Ничто?») имеет легкое и довольно понятное решение: Нечто существует, раз оно уже существует, и существует потому, что Ничто существовать не может.

Я тоже разделяю изумление фактом существования мира и своего собственного существования – да и тем, что Вселенная как-то произвела те самые мысли о Ничто. Тем самым изумление, которое я испытываю от невероятности своего существования, имеет любопытную противоположность: мне трудно вообразить полное отсутствие моего «я». Почему же так трудно представить мир, в котором меня нет, в котором я никогда не появился на свет?

Источник

Что такое «ничего»? Рассказывает астрофизик Мартин Рис

Философы обсуждали природу «небытия», «ничего», «ничто», «пустоты» тысячи лет, но что может современная наука об этом рассказать? На этот вопрос ответит Мартин Рис, астроном Королевского общества и почетный профессор космологии и астрофизики Кембриджского университета. Он объясняет, что когда физики обсуждают «ничто», они имеют в виду пустое пространство (вакуум). Это может показаться вполне заурядным, но эксперименты показывают, что пустое пространство на самом деле не пустое — в нем скрывается загадочная энергия, которая может рассказать нам что-то о судьбе вселенной.

Даже про космическую пустоту нельзя сказать, что это «ничего».

Интервью с Мартином Рисом представил журнал The Conversation.

Пустое пространство — то же самое, что ничего?

Пустое пространство кажется нам ничем. По аналогии, вода может казаться «ничем» для рыбы — именно она остается, когда вы убираете все остальное, что плавает в море. Точно так же и пустое пространство оказывается довольно сложным на поверку.

Мы знаем, что Вселенная очень пустая. Средняя плотность пространства составляет примерно один атом на каждые десять кубических метров — среда гораздо более разреженная, чем любой вакуум, который мы можем получить на Земле. Но даже если убрать всю материю, пространство обладает своего рода эластичностью, которая (как было недавно подтверждено), позволяет гравитационным волнам — ряби самого пространства — распространятся по нему. Более того, мы узнали, что в самом пустом пространстве есть экзотический вид энергии.

Впервые мы узнали об этой энергии вакуума в 20 веке с появлением квантовой механики, которая объясняет поведение атомов и частиц на мельчайших масштабах. Из нее следует, что пустое пространство состоит из поля флуктуаций фоновой энергии — которая дает жизнь волнам и виртуальным частицам, то и дело появляющимся и исчезающим в никуда. Они даже могут создать крошечную силу. Но как насчет пустого пространства на больших масштабах?

Тот факт, что пустое пространство создает крупномасштабную силу, был обнаружен 20 лет назад. Астрономы обнаружили, что расширение Вселенной ускоряется. Это был сюрприз. О расширении было известно более 50 лет, но все думали, что расширение будет замедляться из-за гравитационного притяжения, которое галактики и другие структуры оказывают друг на друга. Поэтому для всех стало большим сюрпризом то, что замедление вследствие гравитации было смещено чем-то, что «расталкивало» расширение. Оказалось, что в самом пустом пространстве присутствует энергия, которая создает своего рода отталкивание, которое перевешивает притяжение гравитации на этих больших масштабах. Это явление — темная энергия — самое невероятное проявление того факта, что пустое пространство не лишено морщин и не является пустым. Более того, этот факт определяет дальнейшую судьбу нашей Вселенной.

Подписывайтесь на наш канал в Яндекс Дзен. Там можно найти много всего интересного, чего нет даже на нашем сайте.

Существует ли предел тому, что мы можем узнать? В масштабах, в триллион триллионов раз меньше атома, квантовые флуктуации пространства-времени могут родить не только виртуальные частицы, но и виртуальные черные дыры. Это в пределах, которые мы наблюдать не можем и для понимания которых хотя бы гипотетического нам нужно совместить теории гравитации с квантовой механикой — а это невероятно сложно.

Существует несколько теорий, направленных на то, чтобы понять это, среди которых самая известная — это теория струн. Но ни одна из этих теорий пока не связана с реальным миром — поэтому они все еще являются беспочвенными. Я думаю, что практически каждый признает, что пространство само по себе обладает сложной структурой на крошечных масштабах, где встречаются гравитационные и квантовые эффекты.

Мы знаем, что у нашей Вселенной есть три пространственных измерения: вы можете двигаться налево и направо, вперед и назад, вверх и вниз. Время — это как бы четвертое измерение. Однако есть сильное подозрение, что если вы увеличите крошечную точку в пространстве до тех пор, пока не пощупаете этот крошечный масштаб, вы обнаружите, что она будет плотно сжатым оригами из пяти дополнительных измерений, которых мы не видим. Как если бы вы смотрели на шланг издалека и думали, что это просто линия. Подходя ближе, вы бы увидели, что одно измерение является по сути тремя. Теория струн включает сложную математику — так же как и конкурирующие теории. Но это именно та теория, которая нам понадобится, если мы захотим понять на самом глубоком уровне самое близкое к пустоте, что можно вообразить: пустое пространство, очевидно.

В рамках нашего нынешнего понимания, как мы можем объяснить, что вся наша вселенная расширяется из ничего? Неужели она могла начаться с небольшой флуктуации энергии вакуума?

Некоторые таинственные переходы или колебания могли внезапно привести к тому, что часть пространства начала расширяться — так полагают некоторые теоретики. Флуктуации, присущие квантовой теории, могли бы встряхнуть всю Вселенную, если бы она была сжата до достаточно малых масштабов. Это должно было произойти в течение примерно 10 -44 секунд — это планковское время. На этих масштабах время и пространство переплетены, поэтому идея тикающих часов не имеет смысла. Мы можем экстраполировать нашу вселенную с высокой степенью уверенности обратно до наносекунды и с высокой долей вероятности вернемся ближе к планковскому времени. Но после этого наши догадки уже не имеют силы — физика на этом масштабе заменяется какой-то другой, более сложной теорией.

Если может ли быть так, что флуктуация в некой случайной части пустого пространства дала жизнь вселенной, почему то же самое не может произойти с другой частью пустого пространства — и дать жизнь параллельным вселенным в бесконечной мультивселенной?

Идея о том, что наш Большой Взрыв — не единственный, и что то, что мы видим в наши телескопы — это крошечная часть физической реальности, весьма популярна среди физиков. И существует много версий цикличной вселенной. Всего 50 лет назад появились мощные доказательства того, что Большой Взрыв вообще произошел. Но с тех пор ходят предположения, что он мог быть лишь эпизодом в цикличной вселенной. Также есть тенденция к пониманию того, что физическая реальность — это намного больше, чем объем пространства и времени, который мы можем пощупать, даже при помощи мощнейших телескопов.

Чтобы не пропустить ничего интересного из мира высоких технологий, подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram. Там вы узнаете много нового.

Поэтому мы понятия не имеем, был Большой Взрыв один или их было много — существуют сценарии, предсказывающие множество Больших Взрывов, и сценарии, предсказывающие один. Думаю, мы должны изучить их все.

Какой конец ждет Вселенную?

Самый простой прогноз на далекое будущее — вселенная продолжит расширяться все быстрее и быстрее, становясь все более холодной и пустой. Частицы в ней могут распадаться, бесконечно растворяясь в пустоте. Мы можем оказаться в огромном объеме пространства, но оно будет даже более пустым, чем космос сейчас. Это один из сценариев. Есть и другие, которые прогнозируют «разворот» направления темной энергии, от отталкивания до притяжения, в результате которого нас ждет сжатие в плотную точку.

Есть еще идея Роджера Пенроуза о том, что вселенная продолжит расширяться, становясь все более разбавленной, но каким-то образом — когда в ней не будет ничего кроме фотонов, частиц света — объекты в ней перекалибруются и пространство станет в некотором роде генератором нового Большого Взрыва. Это будет весьма экзотическая версия старой цикличной вселенной — но, пожалуйста, не просите меня объяснять идеи Пенроуза.

Насколько вы уверены в том, что наука однажды раскроет тайну того, что такое это «ничто»? Даже если бы мы могли доказать, что Вселенная появилась из странной флуктуации в вакуумном поле, разве нам не стоило бы задать вопрос, откуда взялось это вакуумное поле?

Наука пытается дать ответы, но каждый раз, когда мы их находим, появляются новые вопросы — у нас никогда не будет полной картины. Когда я начал заниматься исследованиями в конце 1960-х, были сомнения в том, что Большой Взрыв вообще был. Теперь сомнений уже нет и мы можем сказать с точностью примерно в 2%, что вселенная была такой же все 13,8 миллиардов лет, до самой первой наносекунды. Это большой прогресс. Нелепо оптимистично полагать, что в следующие 50 лет мы разберемся в сложных вопросах о том, что происходит в квантовую или «инфляционную» эпоху.

Заходите в наш специальный Telegram-чат. Там всегда есть с кем обсудить новости из мира высоких технологий.