Исаак Ньютон — вероятно, самый великий физик всех времен — перевернул наши представления о Вселенной в самых разных областях. Но, пожалуй, наиболее важно в его наследии то, что он показал: вся Вселенная поддается объяснению. Непонятная, враждебная, грозная и непредсказуемая на первый взгляд, она может оказаться совсем не такой непонятной. О том, почему потенциальная возможность существования не тождественна существованию, а здравый смысл не всегда совпадает с реальными законами природы, — в отрывке из книги известного физика и популяризатора науки Лоуренса Краусса — услышать его лекцию и задать вопрос можно будет 25 апреля в Музее Москвы.

Все из ничего: Как возникла Вселенная

Лоуренс Краусс
Альпина нон-фикшн. 2019

Если Вселенной правят незыблемые законы, то мифические боги Древней Греции и Рима бессильны. Они не могут по своей воле менять мир, чтобы чинить человечеству хитроумные препятствия. И это относится не только к Зевсу, но и к ветхозаветному Богу. Разве можно остановить Солнце в небе, если оно не обращается вокруг Земли, а его движение по небу на самом деле объясняется вращением Земли? Если бы Земля внезапно остановилась, на ее поверхности возникли бы такие силы, которые уничтожили бы все творения рук человеческих, да и самих людей заодно.

Разумеется, сверхъестественные действия — это ровно то же самое, что чудеса. То есть именно то, что обходит законы природы. Бог, способный создать законы природы, предположительно должен быть способен и игнорировать их при желании. Правда, несколько настораживает тот факт, что законы очень часто обходились тысячи лет назад, до изобретения современных технических средств, которые могли бы это задокументировать, а в наши дни такого почему-то не случается.

Так или иначе, даже если мы имеем дело со Вселенной, где чудес не бывает, если мы сталкиваемся с фундаментально простым фундаментальным порядком, можно сделать два различных вывода. Один сделал сам Ньютон, а до него похожих воззрений придерживались и Галилей, и множество других ученых на протяжении долгих лет: этот порядок создан Божественным разумом, благодаря которому существует не только Вселенная, но и мы, причем мы, люди, были созданы по его образу и подобию (а многие другие прекрасные и сложные существа, очевидно, нет). Другой вывод — что не существует ничего, кроме самих законов. Эти законы сами потребовали, чтобы возникла наша Вселенная, чтобы она развивалась и эволюционировала, и мы — неизбежный побочный продукт действия этих законов. Может быть, эти законы и вечны, а может быть, и они когда-то возникли — в результате какого-то пока не известного, но, вероятно, чисто физического процесса.

О том, который из этих сценариев верен, и по сей день спорят философы и теологи, а иногда и ученые. Мы не можем сказать наверняка, какой из них описывает нашу Вселенную, и, возможно, так этого и не узнаем. Все дело в том, что окончательно решать этот вопрос будут не надежды, стремления, откровения или отвлеченные размышления. Если нам вообще удастся получить ответ, его даст исключительно исследование окружающего мира. Вспомним цитату из Джейкоба Броновски в самом начале книги:

жизненный опыт может быть мечтой, а может быть кошмаром, причем то, что для кого-то мечта, запросто может быть кошмаром для другого, но воспринимать этот опыт нужно таким, какой он есть, не закрывая на него глаза.

Вселенная такова, какова она есть, вне зависимости от того, нравится нам она или нет.

Вот почему, думается мне, очень важно, что Вселенная, которая возникает из ничего, — так, как я старался это описать, — возникает естественным и даже единственно возможным образом, все больше и больше соответствует всем нашим знаниям о мире. Эти знания — результат не философских или богословских размышлений о морали, не каких-то спекуляций о доле человеческой. Нет, они основаны на поразительных, увлекательных достижениях эмпирической космологии и физики элементарных частиц. […]

При этом в науке нужно быть особенно осторожными с вопросами типа «почему?». Когда мы спрашиваем: «Почему?», то обычно имеем в виду: «Как так получилось?» Если мы можем ответить на последний вопрос, то этого обычно достаточно для наших целей. Например, если мы спрашиваем: «Почему от Земли до Солнца 150 млн километров?», то на самом деле имеем в виду: «Как так получилось, что Земля удалена от Солнца на 150 млн километров?» То есть нам интересно, какие физические процессы привели к тому, что Земля оказалась в нынешнем положении. […]

Сейчас, при нынешнем уровне понимания, этот конкретный вопрос типа «как?» вытеснен целым рядом более перспективных с практической точки зрения вопросов вроде: «Что могло бы обеспечить свойства Вселенной, которые особенно характерны для нее в настоящий момент?», а главное, вопросом: «Как бы это выяснить?» […]

Стараниями Ньютона у Бога сильно сузилось поле деятельности, причем это не зависит от того, приписываешь ли ты Вселенной какую-то неотъемлемую рациональность. Законы Ньютона не только сурово ограничили свободу действий для любого божества, но и позволили во многом избавиться от необходимости вмешательства сверхъестественных сил. Ньютон открыл, что движение планет вокруг Солнца не требует того, чтобы их постоянно подталкивали и направляли по нужной траектории: как ни странно, для этого нужна сила, которая притягивает их к Солнцу. Значит, можно обойтись и без ангелов, которых раньше часто привлекали как раз для движения планет. То, что Ньютон освободил ангелов от этой повинности, едва ли уменьшило желание людей в них верить (по данным опросов, гораздо больше американцев верит в ангелов, чем в эволюцию), и тем не менее вполне можно сказать, что в результате научного прогресса после Ньютона Господь имеет все меньше возможностей проявлять Свою волю в Своем же, как предполагается, творении.

Эволюцию Вселенной мы можем описать от самых первых мгновений Большого взрыва и при этом обойтись только известными нам законами физики. А еще мы сумели описать вероятное будущее Вселенной. Во Вселенной, конечно, остались загадки, которые мы не понимаем, однако я исхожу из предположения, что читатели этой книги не склонны делать из Бога к каждой бочке затычку и упоминать его всякий раз, когда наши наблюдения дают парадоксальную или не совсем понятную картину. Даже теологи признают, что подобные приемы не просто подрывают величие их высшего существа, но и чреваты тем, что высшее существо будет все дальше отходить на второй план по мере появления новых данных, которые объясняют ту или иную загадку или разрешают парадокс.

В этом смысле

главный вопрос дискуссии про «нечто из ничего» — это на самом деле вопрос об акте сотворения мира, и состоит он в том, может ли чисто научный подход к этой теме в принципе быть логически полным и полностью убедительным.

Согласно бритве Оккама, если какое-то событие физически возможно, нам не требуется прибегать к более экстраординарным объяснениям, чтобы его обосновать. Очевидно, что требование существования всемогущего божества, которое каким-то образом существует вне нашей Вселенной (или мультивселенной) и при этом управляет всем, что в ней происходит, — это и есть экстраординарное объяснение. Следовательно, обращаться к нему следует в последнюю, а не в первую очередь.

Я уже упоминал, что недостаточно просто определить «ничто» как «несуществование», чтобы заявить, что физика — как и наука в целом — не может ответить на этот вопрос. Приведу дополнительный, более конкретный довод. Рассмотрим пару «электрон — позитрон», которая спонтанно возникла из пустого пространства поблизости от ядра какого-то атома и в течение того краткого времени, пока она существует, влияет на свойства этого атома. Можно ли сказать, что электрон и позитрон в каком-то смысле существовали и до этого? Разумеется, при любом сколько-нибудь осмысленном определении они не существовали. Их существование было потенциально возможно, что да, то да, но это не определяет существование частиц пары в большей степени, чем потенциальное существование человеческого существа на том лишь основании, что у меня имеются сперматозоиды, а поблизости находится женщина, у которой сейчас овуляция, и мы с ней в принципе могли бы вступить в сексуальные отношения. По-моему, лучший ответ на вопрос, каково это, когда ты умер (то есть не существуешь), — это предложение представить себе, каково тебе было, когда тебя еще не зачали. Так или иначе если бы потенциальная возможность существования была бы тождественна существованию, то вопрос о мастурбации обсуждался бы в наши дни так же горячо, как легализация абортов.

В рамках проекта Origins в Университете штата Аризона, которым я руковожу, не так давно прошел семинар о происхождении жизни, и я не удержусь от соблазна поместить наши космологические рассуждения в этот более широкий контекст. Мы пока не до конца понимаем, как появилась жизнь на Земле. Однако мы не только выяснили, какие именно химические механизмы могли бы к этому привести, но и с каждым днем все ближе и ближе подходим к тому, чтобы понять, какие конкретно пути привели к естественному возникновению биомолекул, в том числе РНК. Более того, дарвиновская эволюция на основе естественного отбора дает убедительную и точную картину возникновения сложных форм жизни на нашей планете после того, как тот или иной специфический химический процесс привел к возникновению первых самовоспроизводящихся клеток с обменом веществ, позволяющим получать энергию из окружающей среды. (Это лучшее определение жизни, которое я могу дать сейчас.)

Едва Дарвин — пусть и неохотно — отказался от необходимости Божественного вмешательства в эволюцию современного мира, в котором так много самой разной жизни (хотя и оставил место гипотезе, что именно Господь вдохнул жизнь в первые живые существа), наше нынешнее понимание Вселенной, ее прошлого и будущего делает более вероятным, что «нечто», скорее всего, возникло из ничего исключительно по физическим причинам, без всякого наущения свыше. Однако трудности, связанные с техникой наблюдений, и соответствующие теоретические сложности не позволяют выяснить все подробности, и я думаю, что нам придется удовлетвориться этим самым «скорее всего». Но даже само это «скорее всего», с моей точки зрения, огромный шаг вперед, поскольку

у нас хватает отваги вести осмысленную жизнь во Вселенной, которая, весьма вероятно, возникла и, возможно, исчезнет безо всякой цели

— и уж точно не ради нас как венца творения и центра мироздания.

Теперь вернемся к одному из самых примечательных качеств нашей Вселенной: насколько мы в состоянии измерить, она очень близка к плоской. Напомню, что уникальная черта плоской Вселенной, по крайней мере на масштабах, где в ней преобладает вещество в виде галактики где действует Ньютоново приближение, состоит в том, что в плоской, и только в плоской Вселенной средняя Ньютонова гравитационная энергия любого объекта, участвующего в расширении, в точности равна нулю.

Я подчеркиваю, что это — фальсифицируемый постулат: все не обязано быть именно так. Ничто не требует подобной картины, кроме теоретических рассуждений о том, какой должна быть Вселенная, возникшая естественным образом из ничего — или, по крайней мере, почти из ничего.

Невозможно преувеличить важность того, что, как только при рассуждениях о мироздании мы начинаем учитывать гравитацию, мы уже не можем произвольно определить полную энергию системы и игнорировать то обстоятельство, что у этой энергии есть и положительная, и отрицательная составляющие. Нельзя произвольно определять полную гравитационную энергию объектов, которые увлекает за собой расширение Вселенной, как нельзя и произвольно определять геометрическую кривизну Вселенной. Согласно ОТО, это свойство пространства как такового, и определяется оно количеством энергии, которая содержится в пространстве.

Я говорю это, поскольку утверждалось, что заявление о равенстве нулю полной Ньютоновой гравитационной энергии каждой галактики в плоской расширяющейся Вселенной произвольно, что сгодилось бы любое другое значение, но ученые «определяют» нулевую точку, чтобы иметь аргумент против Бога. Именно так говорил, например, Динеш Д’Суза в дебатах о существовании Бога с Кристофером Хитченсом. Ничто не может быть дальше от правды. Работа по определению кривизны Вселенной — результат полувековых трудов ученых, которые посвятили жизнь изучению подлинной природы Вселенной, а не навязывали ей свои прихоти. В течение 1880-х и даже в начале 1990-х гг., уже через весьма значительное время после того, как были выдвинуты первые доводы, почему Вселенная должна быть плоской, мои коллеги-наблюдатели были склонны считать, что это не так. Ведь в науке оказывает самое сильное влияние (и часто удостаивается самых крупных заголовков) не тот, кто плывет по течению, а тот, кто выгребает против него.

Так или иначе последнее слово осталось за данными, и оно уже произнесено.

Наблюдаемая Вселенная предельно близка к плоской — близка настолько, насколько мы можем измерить.

Ньютонова гравитационная энергия галактик, движущихся вместе с хаббловским расширением, равна нулю независимо от наших пожеланий.

Теперь я хочу рассказать, почему если наша Вселенная возникла из ничего, то следует ожидать как раз того, что она будет плоской и с нулевой полной Ньютоновой гравитационной энергией каждого объекта. Это объяснение не совсем очевидно, и мне не вполне удалось донести его до слушателей моих популярных лекций, поэтому я рад, что у меня наконец-то появилось достаточно места, чтобы разложить все по полочкам.

Для начала надо четко понимать, какое именно «ничто» мы будем обсуждать. Это самая простая версия «ничего», то есть пустое пространство. Для начала предположим, что существует пространство, в котором нет ничего, а еще существуют законы физики. Опять же я отдаю себе отчет, что если взять определение «ничего» в обновленном и пересмотренном виде, — а такие определения предлагают те, кто хочет постоянно придавать словам новый смысл, так, чтобы никакое научное определение не было практически применимо, — то эта версия «ничего» не будет соответствовать нашим ожиданиям. Однако подозреваю, что пустое пространство, в котором ничего нет, — это, пожалуй, хорошее приближение к «ничему» в понимании Платона и Фомы Аквинского, когда они задумывались о том, почему на свете есть нечто, а не ничего.

Алан Гут объяснил в деталях, как именно можно получить нечто из подобного рода «ничего» — тот самый бесплатный обед по высшему разряду. Пустому пространству можно приписать ненулевую энергию даже в отсутствие вещества и излучения. ОТО говорит, что пространство будет экспоненциально расширяться, так что даже те области, которые поначалу были очень-очень малы, быстро достигают размера, в который свободно поместится вся Вселенная, которую мы сегодня видим.

При таком стремительном расширении область, в которую в конечном итоге войдет вся наша Вселенная, будет становиться все более и более плоской, хотя энергия, содержащаяся в пустом пространстве, при росте Вселенной тоже растет. Это явление можно объяснить без каких-либо подтасовок или вмешательства свыше. Это возможно, потому что гравитационное «давление», связанное с подобной энергией пустого пространства, на самом деле отрицательно. Отрицательное давление предполагает, что, когда пространство расширяется, расширение накачивает его энергией, а не наоборот.

Эта картина подразумевает, что, когда инфляция прекращается, энергия, заключенная в пустом пространстве, превращается в энергию реальных частиц и излучения, что, в сущности, и создает прослеживаемую историю расширения Вселенной, начавшегося с Большого взрыва. Я говорю о возможности проследить историю расширения, поскольку при инфляции, в сущности, стирается вся память о состоянии Вселенной до его начала. Все сложности и нерегулярности на первоначально больших масштабах (если существовавшая до того Вселенная или метавселенная была большой и даже бесконечно большой) сгладились и / или ушли так далеко за наш сегодняшний горизонт, что после достаточно продолжительного инфляционного расширения мы будем всегда наблюдать практически однородную Вселенную.

Я называю ее практически однородной, поскольку квантовая механика всегда оставляет локальные мелкие флуктуации плотности, которые при инфляции «замораживаются». Это приводит ко второму поразительному последствию инфляции: эти мелкие флуктуации плотности в пустом пространстве, возникшие согласно законам квантовой механики, впоследствии отвечают за все структуры, которые мы сегодня наблюдаем во Вселенной. Так что

и мы сами, и все, что мы видим, есть результат квантовых флуктуаций в том, что, в сущности, представляло собой ничто в самом начале времен,

а именно во время инфляционного расширения.

В сухом остатке общая конфигурация вещества и излучения будет именно такой, какая характерна для плоской Вселенной, то есть такой, в которой средняя Ньютонова гравитационная энергия всех объектов равна нулю. Так будет почти всегда, если только не подстроить очень тонко количество инфляции.

Поэтому вполне может быть, что наша наблюдаемая Вселенная начиналась как ничтожно малая область пространства, в сущности, пустая, и все равно впоследствии она разрослась до исполинских размеров и содержит вдоволь вещества и излучения. Все это не стоило ни капли энергии, но вещества и энергии хватило для построения всего, что мы сегодня наблюдаем!

В этом кратком резюме инфляционной динамики стоит обратить внимание, что нечто может возникнуть в пустом пространстве именно потому, что энергетика пустого пространства в присутствии гравитации совсем не такая, как мы могли бы предполагать, руководствуясь здравым смыслом, пока не открыли основополагающие законы природы.

Но никто никогда не говорил, что Вселенная руководствуется тем же, что когда-то казалось разумным нам, близоруко глядящим на нее из нашего уголка пространства и времени. Конечно, априори кажется разумным вообразить, что вещество не может возникать спонтанно из пустого пространства, то есть что нечто не может возникнуть из ничего. Но

когда мы принимаем в расчет динамику гравитации и квантовую механику, то обнаруживаем, что точка зрения здравого смысла уже не верна.

В этом и состоит красота науки, и бояться этого не следует. Просто наука заставляет нас пересмотреть то, что кажется разумным и очевидным, чтобы привести свои взгляды в соответствие с устройством Вселенной, а не наоборот.

Подведу итог. Тот факт, что сегодня Вселенная плоская и что местная Ньютонова гравитационная энергия в ней в среднем равна нулю, — сильный довод в пользу того, что наша Вселенная возникла в результате процесса, подобного инфляции, процесса, посредством которого энергия пустого пространства (ничего) преобразуется в энергию чего-то, и в то время, за которое Вселенная становится все ближе и ближе к плоской на всех наблюдаемых масштабах.

Хотя инфляция показывает, как пустое пространство, наделенное энергией, вполне может создать все, что мы видим, вместе с неимоверно огромной и плоской Вселенной, было бы лицемерным заявлять, что пустое пространство, наделенное энергией, которая движет инфляцией, — это ничто. Такая картина заставляет допустить, что пространство существует и способно запасать энергию, а затем, опираясь на законы физики, например на ОТО, рассчитать, что из этого следует. Так что, если бы мы на этом и остановились, читатель имел бы полное право заявить, что современная наука еще очень далека от подлинного ответа на вопрос, как получить нечто из ничего. Однако это лишь первый шаг. Мы будем все лучше понимать происходящее и на следующем этапе увидим, что инфляция лишь верхушка вселенского айсберга из ничего.

В рубрике «Открытое чтение» мы публикуем отрывки из книг в том виде, в котором их предоставляют издатели. Незначительные сокращения обозначены многоточием в квадратных скобках. Мнение автора может не совпадать с мнением редакции.

Где можно учиться по теме #Вселенная

Читайте нас в Facebook, VK, Twitter, Instagram, Telegram (@tandp_ru) и Яндекс.Дзен.