Вселенная – огромное, разнообразное и интересное место, заполненное материей и энергией, пребывающими в различных формах; и всё это разыгрывается на сцене пространства-времени в соответствии с законами физики. Это иллюстрирует данная фотография с телескопа Хаббл, на которой видно скопление галактик IDCS J1426.5+3508. И сколько же всего нужно убрать, прежде чем мы действительно останемся ни с чем?
Наблюдая за нашим миром и нашей Вселенной, мы размышляем и рассуждаем обо всём, что находится в ней. Это различные частицы, атомы, люди, а также планеты, звёзды, галактики, и самые крупные структуры. В зависимости от того, что нас интересует, мы можем обсудить газ, пыль, излучение, чёрные дыры, или даже тёмную материю. Но всё, что мы видим, наблюдаем, или о существовании чего догадываемся, могло и не существовать там вечно. Кое-что из этого появилось из существовавшей ранее материи, иное же, вроде бы, и вовсе возникло из ничего. Неудивительно, что не все соглашаются с тем, что мы имеем в виду, научно говоря, используя слова «ничего». В зависимости от того, кого (или когда) вы спросите, вы можете получить один из следующих четырёх ответов. И вот, почему все они имеют для нас значение.
Самая одинокая галактика во Вселенной – поблизости от неё нет ни одной другой галактики на расстоянии в 100 млн световых лет. Но и это нельзя назвать истинным представлением пустого пространства.
1) Время, в которое того, что вас интересует, ещё не существовало. Как Вселенная создавала планеты? Как насчёт звёзд? Что насчёт асимметрии материи? Эти объекты существовали не всегда, их нужно было создать. Когда механизм их появления известен, мы обычно говорим, что наш предмет интереса был создан из чего-либо, а не из ничего. Планеты появляются из осколков предыдущих поколений звёзд, в ядрах которых были созданы тяжёлые элементы, которые затем были выброшены в межзвёздное пространство. Звёзды появляются из сжимающихся газовых облаков, в которых появляются достаточно плотные и горячие регионы, способные зажечь ядерный синтез. Планеты и звёзды – это материя, появившаяся из предыдущей формы материя; они создаются из чего-то, а не из ничего.
Большой Взрыв создал материю, антиматерию и излучение, и в какой-то момент материи было создано немного больше, благодаря чему и возникла наша сегодняшняя Вселенная. Как появилась эта асимметрия в процессе, который начался симметрично – этот вопрос пока остаётся открытым.
Но имеющаяся у нас на сегодня материя появилась не из какой-то, существовавшей до неё. В какой-то момент в далёком прошлом Вселена состояла из равных частей материи и антиматерии; законы физики, известные нам, позволяют создавать их только в равных пропорциях. Однако сегодняшняя Вселенная практически вся состоит из материи, а не из антиматерии; все миллиарды миллиардов известных нам галактик состоят из материи, а не из антиматерии. Откуда взялась асимметрия? Она произошла из предыдущего состояния, бывшего симметричным; из состояния, в котором материи и антиматерии было поровну. С того времени, когда асимметрии не существовало. Некоторые считают, что это означает, будто имеющаяся у нас сегодня материя возникла из ничего – хотя с ними спорят другие люди, строго придерживающиеся других определений «ничего».
И всё же, никто не спорит о том, что научная проблема бариогенезиса, или первопричина асимметрии материи/антиматерии, является одним из наиболее обременительных загадок современной физики. Были придуманы многие идеи и механизмы появления материи (вместо антиматерии), но у нас нет свидетельств для того, чтобы объявить победителя среди них.
Стандартная Модель физики частиц описывает три из четырёх взаимодействий (все, кроме гравитации), весь набор открытых частиц, и все их взаимодействия. Благодаря сопутствующей квантовой теории поля мы также можем выяснить свойства квантового вакуума.
2) Пустое пространство. Представьте всё, что существует сегодня во Вселенной. Представьте все фундаментальные составляющие материи; каждый квант излучения; каждую чёрную дыру; каждую массу; каждую частицу и античастицу. А теперь представьте, что мы всё это убрали. Представьте, что они исчезли из Вселенной, и оставили после себя лишь пустое пространство. Что именно осталось бы после этого? Некоторые говорят, что не осталось бы ничего, и их такое определение устраивает.
Визуализация квантовой теории поля, в которой подсчёты демонстрируют виртуальные частицы квантового вакуума. Даже в пустом пространстве энергия вакуума не равна нулю.
Но сущность, известная, как пространство-время, всё ещё останется на месте, как и все законы физики. Все поля, присутствующие в пустом пространстве, включая поле Хиггса, и квантовые поля, которые мы часто изображаем, как появляющиеся и исчезающие пары частица-античастица, всё ещё существуют. Физические законы, к примеру, квантовая теория поля, всё ещё работают; существует Общая теория относительности; фундаментальные константы существуют и не меняли значения. У самого вакуума пустого пространства есть нулевая энергия, отличная от нуля. Сегодня она проявляет себя, как тёмная энергия, и она, в далёком прошлом имев совершенно другое ненулевое значение, была основной силой, стоявшей за космологической инфляцией. Когда говорят, что Вселенная появилась из ничего, обычно имеют в виду именно такое «ничего»: горячий Большой взрыв, порождённый инфляцией.
Изображение плоского пустого пространства, без материи, энергии или кривизны. Если у этого пространства будет минимально возможная нулевая энергия, то уменьшить её уже не удастся
3) Пустое пространство с минимально возможной энергией. Что, если бы нулевая энергия Вселенной уменьшилась бы до своего основного состояния? По окончанию инфляции энергия вакуума во Вселенной очень сильно упала: от планки инфляции до значения, имеющегося сегодня. Это падение энергии пустого пространства привело к огромному увеличению энергии частиц и породило горячий Большой взрыв. Но нет гарантий, что сейчас мы находимся в действительно минимально возможном энергетическом состоянии; возможно, что мы находимся в состоянии ложного вакуума, а истинный вакуум ждёт нас после другого катастрофического перехода, который изменит Вселенную.
Скалярное поле φ в в ложном вакууме. Обратите внимание, что энергия Е выше, чем в истинном вакууме, или основном состоянии, но существует барьер, мешающий полю скатиться вниз к истинному. Во время инфляции Вселенная не находилась в состоянии истинного вакуума; возможно, что и сегодня не находится.
Если достичь этого истинного основного состояния, каким бы оно ни было, и убрать всю материю, энергию, излучение и волны пространства-времени из Вселенной, что останется? Это, вероятно, окончательная идея того, что может собой представлять «физическое ничто»: у вас всё ещё есть сцена для игры Вселенной. На ней может не быть игроков, ролей, сценария, но в великой бездне «ничто» всё ещё есть сцена. Космический вакуум будет на минимальном значении; не будет надежды извлечь из него работу, энергию или реальные частицы, но пространство-время и законы физики всё ещё будут существовать. В теории, если в такую Вселенную добавить частицу, она не будет отличаться от изолированной частицы, существующей сегодня в нашей Вселенной.
Весь набор имеющихся сегодня во Вселенной сущностей имеет своим началом горячий Большой взрыв. Более того, сегодняшняя Вселенная могла появиться только из-за свойств, имеющихся у пространства-времени, и законов физики. Без них мы не могли бы существовать ни в каком виде
4) Всё, что останется, если убрать всю Вселенную и управляющие ею законы. И, наконец, можно представить себе, как мы убираем всё, включая пространство, время и правила, управляющие всеми частицами или квантами энергии. Это создаёт тот тип «ничего», для которого в физике нет определения. Это выходит за рамки «ничего», существующего во Вселенной, и вместо этого становится более философским, абсолютным «ничем». Но в контексте физики такому определению «ничего» смысл не придать. Нам бы пришлось предположить, что существует состояние вне пространства-времени, в котором может появиться пространство и время из этого гипотетического состояния истинного «ничто».
Возможно ли это? Как пространство-время появляются в определённом месте, если никакого пространства не существует? Как можно создать начало времени, если не существует такой концепции, как «ранее», если не существует времени? И откуда тогда возьмутся правила, управляющие частицами и их взаимодействиями? Значит ли вообще хоть что-нибудь это последнее определение «ничего», или это просто логическая конструкция, не обладающая физическим смыслом?
Флуктуации в пространстве-времени на квантовых масштабах во время инфляции растянулись на всю Вселенную, и породили несовершенства в плотности и гравитационных волнах. И хотя пространство в состоянии инфляции можно по праву во многих смыслах называть «ничем», не все с этим согласны.
В этом вопросе нет консенсуса. Из-за двусмысленностей человеческого языка можно сказать «ничто», имея в виду любое из этих определений, а пуристы с нетерпением будут ждать этого, чтобы накричать на вас за то, что вы смеете использовать слово «ничто» в контексте, менее чистом, чем их определение. Если что-то на самом деле появилось там, где раньше ничего такого не было, это можно назвать ничем, но не все с этим согласятся. Если убрать всю материю, антиматерию, излучение и даже пространственную кривизну, можно уверенно утверждать, что то, что останется, и будет ничем – но всё равно будет нечто, что останется и после такой очистки. Если убрать всю энергию, присущую самому пространству, и оставить только пространство-время и законы природы, это тоже можно назвать «ничем». Но с философской точки зрения некоторые люди всё равно останутся неудовлетворёнными. И только удалив и это оставшееся, они смогут согласиться с тем, что оставшееся можно называть «ничем».
Существование частиц и античастиц Стандартной Модели было предсказано в результате действия законов физики. Без этих законов и без сцены пространства-времени может ли появиться нечто осязаемое?
Так кто же прав? Все они, каждый по-своему. Суть не в том, чтобы спорить о том, что такое истинное «ничто», но принять и понять эти определения и их использование. Важно не путать одно с другим, и не вступать в перепалку по поводу того, почему нельзя использовать слово определённым образом. Вместо этого, когда кто-то – а особенно учёный – употребляет слово «ничто», попробуйте понять, какое именно значение он имеет в виду, и какое явление он пытается объяснить. Поскольку, несмотря на всё наше воображение, единственная истинная модель знаний о чём угодно основана на том, что мы можем проверить в нашей физической реальности. Всё остальное, неважно, насколько логично оно может звучать, будет лишь концепцией нашего разума.
Автор: Вячеслав Голованов
